Povečano izražanje genov na kromosomu X

Človeški genom je sestavljen iz več kromosomov, avtosomnih in spolnih kromosomov. Tako imamo vretenčarji diploidne celice, kar pomeni, da so v njih po dve kopiji vsakega kromosoma. Oba kromosoma v paru nosita enake gene, ki pa se lahko nekoliko razlikujejo med seboj v specifičnih lastnostih, tako pravimo, da imamo po dva alela za gene. Ker se v celici nek gen lahko prepisuje iz obeh kromosomov (alelov), to vpliva na količino izraženega gena v obliki RNA transkripta ali proteina.

Spolni kromosomi se razlikujejo od avtosomnih kromosomov. Kot smo izvedeli v seminarju Evolucija spolnih kromosomov je Y kromosom degeneriran, je veliko manjši od kromosoma X. Če bi se geni izražali iz obeh kromosomov enako intenzivno, bi ženske imele več genske informacije. Da se temu izognemo se pri ženskah en kromosom X inaktivira (več v seminarju Mehanizem X-inaktivacije). Pojavi se tudi povečano izražanje genov iz aktivnega kromosoma X pri ženskah in pri moških zato, ker kromosom X vsebuje tudi nekatere avtosomne gene, ki niso povezani s spolom.

Ohnova ali 2R hipoteza

Za evolucijo je značilna divergenca genov, lahko pa najdemo regije oz. družine genov, ki so do neke mere ohranjene med različnimi rodovi organizmov in ta paralogna območja lahko primerjamo med seboj. Japonski znanstvenik, Susumu Ohno, je postavil teorijo, ki jo imenujemo Ohnova hipoteza ali 2R hipoteza (angl. 2-rund hypothesis). Pravi, da je v evoluciji, na stopnji med plaščarji in vretenčarji prišlo do tetraploidne evolucije, celoten genom naj bi se podvojil dvakrat, kar ustvari več genoma in s tem več možnosti za mutacije in evolucijo. Ta teorija je bila sprva sporna, saj so znanstveniki uporabljali različne pristope, da bi jo dokazali ali ovrgli, vendar je dandanes sprejeto, da teorija najverjetneje drži.

Kompenzacija doze

Gene, ki se izražajo iz več kromosomov ali pa so potrebni v točno določenih količinah, imenujemo na dozo občutljivi geni in jih lahko razvrstimo na podlagi mehanizmov, ki so vključeni v povišano izražanje kromosoma X. Ti geni sodelujejo med seboj in pri tem tvorijo proteinske kompleks. Izražanje genov mora biti usklajeno tako, da je raven izražanja v ravnovesju.

Ugotavljali so, kakšno je razmerje med izražanjem genov iz kromosoma X proti avtosomom (razmerje X:A). Če se zgodi kompenzacija doze so pričakovali, da bo razmerje okoli 1, v skladu s tem, da se izražanje iz kromosoma X podvoji. V somatskih celicah se izražanje iz kromosoma X podvoji, saj je razmerje okoli 1. V celicah možganov obeh spolov, v jajčnikih in maternici je število večje od 1, kar nam pove, da se izražanje iz kromosoma X poveča za malo več kot dvakrat, kar nam pove, da so geni, ki so na njem zapisani posebno pomembni za ta tkiva. V oocitah opazimo, da izražanje ni povečano, kar se sklada s tem, da so spolne celice haploidne in je tako izražanje uravnoteženo z avtosomi. V spermatocitih opazimo, da je izražanje iz kromosoma X močno utišano, kar je v skladu s tem, da se utišajo geni za ženski spol. Po oploditvi se pri ženskih embrijih že na ravni dveh ali štirih celic blastociste zgodi inaktivacija kromosoma X, zato se mora izražanje iz aktivnega X zopet povečati.

Pri sesalcih se lahko kompenzacija doze uravnava z naključno inaktivacijo kromosoma X v somatskih celicah samic, kjer se večina genov na enem od kromosomov X utiša. Druga oblika uravnavanja kompenzacije doze pa je z uravnoteženim izražanjem med geni avtosomnih kromosomov, in geni na kromosomu X. Pri obeh spolih pride posledično do prekomernega izražanja na aktivnem kromosomu X. Analize transkriptomov so sprva pokazale, da se geni povečano izražajo le pri vinskih mušicah. Kasnejše raziskave RNA zaporedij pa so dokazale prisotnost povečanega izražanja tako pri Drosophila, kakor tudi sesalcih in C. elegans.

Mehanizmi povečanega izražanja genov

Opazili so dva različna mehanizma, ki povečata izražanje genov na kromosomu X in se lahko zgodita na transkripcijskem ali posttranskripcijskem nivoju. Pri nekaterih genih so opazili povečanje iniciacije transkripcije, kjer je ključnega pomena histon acetiltransferaza, pri drugih pa je bil opažen povišan razpolovni čas RNA.

Mehanizem povečane regulacije pri Drosophila

V 10-ih letih so znanstveniki opravili ogromno raziskav, da bi razumeli, kako je kompenzacija doze kontrolirana pri vinskih mušicah. Na podlagi rezultatov so lahko bolje razložili mehanizem pri sesalcih. Najpomembnejša ugotovitev je bila, da se pri Drosophila kompenzacija doseže s podvojitvijo števila transkriptov genov s kromosoma X, a le pri samcih. Samci imajo namreč le en kromosom X, medtem ko imajo samice dva.

Pri samcih so našli posebne gene, ki kodirajo za pet različnih proteinov, in jih skupno poimenovali msl (angl. male-specific lethal) geni: msl-1, msl-2 in msl-3, mle (maleless) ter mof (angl. male absent on the first). V to skupino genov nekateri prištevajo še dva dodatna gena, roX1 in roX2, ki zapisujeta za nekodirajočo RNA na kromosomu X, t.i. roX RNA. Vsi produkti omenjenih genov se nato združijo v velik proteinski MSL kompleks, poznan tudi kot DCC (angl. dosage compensation complex) kompleks ali kompenzasom. Ti kompleksi so razporejeni vzdolž celotnega kromosoma X in so ključni za epigenetske spremembe oz. za spreminjanje strukture kromatina. Za oblikovanje in pravilno delovanje kompenzasoma morajo biti prisotni vsi proteini MSL in vsaj ena roX RNA (roX1 ali 2), ki se na kompleks pripne s pomočjo MLE, RNA helikaze. Pri samicah se MSL kompleks ne more oblikovati, saj ne pride do izražanja MSL2 proteina, ki je glavni pri združevanju proteinov v kompleks.

Mehanizem, s katerim kompleks spremeni strukturo kromatina, je preko modifikacije histonov. Na mestih, kjer se je nahajal kompenzasom, so našli povečano število acetiliranih histonov H4, natančneje na lizinu 16 (H4K16ac). Za to naj bi bil zaslužna histon acetiltransferaza MOF, znana tudi pod imenom KAT8. Acetilacija s KAT8 povzroči, da se kromatin razrahlja in na tistem mestu se izražanje genov poveča. Nekateri menijo, da je v kompenzacijo doze vključena še modifikacija histona H3. Tu sodeluje kinaza JIL-1, ki fosforilira H3 na serinu 10. S tem so dokazali, da so modifikacije histonov ključnega pomena pri ohranjanju enakega števila genov.

Drugi mehanizem, do katerega lahko pride pri povečanju izražanja genov, je večja stabilnost RNA. Vzroki, zakaj pride do povišanega razpolovnega časa RNA, pa še niso znani.

Povečano izražanje pri placentalnih sesalcih

Natančen čas povečanja regulacije X-kromosoma ni znan. Postopno zviševanje izražanja genov z X-kromosoma lahko opazimo v embrionalnih matičnih celicah, pri obeh spolih. Opazimo lahko tudi molekularne razlike med aktivnim kromosomom X in avtosomi. Pri miših so prav tako dokazali večjo prisotnost RNA polimeraz II (PolII) na 5` koncu izraženih genov iz X-kromosoma v primerjavi z avtosomi.

Kompenzacija doze pri Caenorhabditis elegans

Spol pri C. elegans, glistah, določijo tako, da primerjajo razmerje med X-kromosomi in avtosomi. Samci so X0 in hermafroditi XX. Povečano izražanje je bilo dokumentirano v somatskih celicah, vendar mehanizem ni poznan.

Kompenzacija doze pri pticah

Za razliko od sesalcev, so pri pticah samice heterogamete (ZW). Ko primerjamo razmerje izražanja genov med Z-kromosomom in avtosomi opazimo, da ni 0.5 (0.6 – 0.8), kar dokazuje delno kompenzacijo doze. Kompenzirani geni v eni vrsti ptičev so pogosto enaki geni v drugih vrstah, kar nakazuje na skupino genov občutljivih na kompenzacijo doze. Delna kompenzacija doze pri pticah bi lahko bila zaradi razdrobljenega povečanja izražanja genov z Z kromosoma, še posebno pri samicah. Pri samcih pa lahko opazimo naključno izključitev enega izmed Z-kromosomov.

Zanimivo je dejstvo, da skupina genov iz Z kromosoma pri kokoših sodeluje z nekodirajočo MHM (angl. male hypermethylated) RNA in rekrutira H4K16 acetilacijo za povečano izražanje genov Z kromosoma pri samicah. Tako H4K16 najverjetneje ni vpleten samo v povečano izražanje genov pri Drosophila, ampak tudi pri pticah.

Viri

1. Deng, X., Berletch, J.B., Nguyen, D.K. in Disteche, C.M. X chromosome regulation: diverse patterns in development, tissues and disease. Nature, 2014, letn. 15, str. 367-378.
2. Deng, X., Berletch, J.B., Ma, W., Nguyen, D.K., Noble, W.S., Shendure, J. in Disteche, C.M. Upregulation of the mammalian X chromosome is associated with enhanced transcription initiation, MOF-mediated H4K16 acetylation, and longer RNA half-life. Dev Cell, 2013, letn. 25, str. 55–68.
3. Conrad, T. in Akhtar, A. Dosage compensation in Drosophila melanogaster: epigenetic fine-tuning of chromosome-wide transcription. Nature Reviews Genetics, 2012, letn. 13, str. 123-134.
4. Disteche, M. C. Dosage Compensation of the Sex Chromosomes. Annual Review of genetics, 2012, letn. 46, str. 537-560.
5. Nguyen, D.K. in Disteche, C.M. Dosage compensation of the active X chromosome in mammals. Nature Genet., 2006, letn. 38, str. 47–53.