Dávková kompenzace genů je epigenetický mechanismus, který umožňuje vyrovnat úroveň exprese pohlavně vázaných genů u samců a samic těch druhů, u kterých dochází k určení pohlaví pomocí pohlavních chromozomů . Takže například u samců savců jsou geny chromozomu X , nepočítaje pseudoautozomální oblasti , přítomny v jedné kopii a u žen ve dvou. Protože takový rozdíl by mohl vést k závažným anomáliím, existují mechanismy pro kompenzaci dávky genů, které přímo nesouvisejí s určením pohlaví. U savců se to děje inaktivací jednoho chromozomu X v ženských buňkách, takže v každé somatické buňce jedince jakéhokoli pohlaví je pouze jeden aktivní chromozom X na diploidní sadu chromozomů .
V roce 1949 Murray Barr a Ewart Bertram , kteří studovali karyotyp kočičích buněk, si všimli, že v jádrech samic je husté tělo, odlišné od jadérka , ale není v buňkách koček. Tuto strukturu nazvali pohlavní chromatin . Později se stala známější jako Barrovo tělo . V roce 1959 Susumu Ohno zjistil, že Barrovo tělo je superkondenzovaný chromozom X [1] . V roce 1961 navrhla Mary Lyon hypotézu, podle níž inaktivace chromozomu X poskytuje kompenzaci dávky pro geny a výběr chromozomu, který má být „vypnut“, nastává náhodou. Lyon učinil takové závěry na základě studia buněk s abnormálním počtem chromozomů, zejména s trizomiemi pohlavních chromozomů a polyploidií. Byly získány následující výsledky:
| karyotyp: | Počet inaktivovaných X chromozomů |
| Normální žena (XX + 44 autosomů): | jeden |
| Normální muž (XY + 44 autozomů): | 0 |
| Žena s trizomií X (XXX + 44 autozomů): | 2 |
| Muž s Klinefelterovým syndromem (XXY + 44 autozomů): | jeden |
| Tetraploidní ženské buňky (XXXX + 88 autozomů): | 2 |
Ze získaných výsledků se dospělo k závěru, že buňky mají nějaký mechanismus „počítání“ chromozomů X a zanechávají jeden aktivní chromozom X na pár autozomů. Ve prospěch hypotézy o náhodné volbě chromozomu, který má být převeden na heterochromatin , doloženo pozorováním mozaikového zbarvení u samic myší heterozygotních pro X-vázané geny odpovědné za barvu srsti. Mozaika vzniká v důsledku skutečnosti, že v buňkách embrya v období gastrulace dochází k inaktivaci jednoho z chromozomů X a je mitoticky zděděn, takže klon každé z těchto buněk si zachovává stejný aktivní chromozom X: mateřský nebo otcovský původ. Podobné výsledky naznačující mozaikovitost byly získány z izoforem glukózo-6-fosfát izomerázy , která je u lidí kódována genem chromozomu X.
Získané výsledky rychle našly uplatnění jak v biologickém výzkumu, tak mimo něj. V roce 1965 tak Stanley Gartler použil inaktivaci chromozomu X k prokázání klonálního původu rakovinných nádorů . A v roce 1966 na olympijských hrách se detekce Barrových těl začala používat k potvrzení pohlaví sportovců.
Největší množství informací o molekulárních mechanismech kompenzace dávkování u savců bylo nashromážděno díky práci prováděné na embryonálních kmenových buňkách .
Různé druhy používají různé mechanismy kompenzace dávky: náhodná nebo imprintovaná inaktivace jednoho z chromozomů X u homogametického pohlaví (u savců), dvojnásobné zvýšení expresní aktivity u jednoho z chromozomů X heterogametického pohlaví (u vrtule), nebo dvojnásobný pokles jeho expresní aktivity s oběma chromozomy X. chromozomy homogametického pohlaví (u háďátka Caenorhabditis elegans ). Bez ohledu na konkrétní mechanismus se kompenzace vyskytuje vždy pouze u jednoho z pohlaví a je nezbytnou podmínkou jeho životně důležité činnosti.
U Drosophila a savců kompenzace dávky zahrnuje nekódující RNA , které pokrývají regulovaný chromozom X, a také pohlavně specifickou modifikaci proteinů – histonů na odpovídajícím chromozomu.
U placentárních savců dochází ke kompenzaci dávky genů náhodnou inaktivací jednoho z X chromozomů. K tomuto procesu dochází přibližně v období gastrulace (u člověka přibližně 12. den). Všichni potomci určité buňky si zachovávají inaktivovaný stejný chromozom jako mateřská buňka, to znamená, že stejně jako ostatní epigenetické znaky je i tento mitoticky zděděn. K přeprogramování X-inaktivace dochází v zárodečných primordiálních buňkách . Klíčovou roli v zajištění inaktivace chromozomu X hraje dlouhá nekódující RNA Xist , která působí jako cis - regulační prvek, tedy ovlivňuje přesně ten chromozom, ze kterého je přepisována .
Některé geny na chromozomu X se vyhýbají inaktivaci, zejména pseudoautosomální oblast , tedy ty, které mají homologní sekvence na chromozomu Y , a některé další geny, které mohou mít vliv na tvorbu sexuálních charakteristik. U lidí je takových oblastí podstatně více než u myší. Gen XIST také zůstává aktivní na Xi .
Monotremes - oddělení savců, které zahrnuje ptakopysky a čtyři druhy echidnas , které patří k vejcorodým savcům. Ačkoli monotremy také používají systém XX/XY, na rozdíl od jiných savců mají více než jednu sadu pohlavních chromozomů. Samci krátkozobých echidnas mají například devět pohlavních chromozomů, 5 X a 4 Y, zatímco samci ptakopysků mají 5 X chromozomů a 5 Y chromozomů. Nedávná studie [2] zjistila, že čtyři chromozomy X ptakopyska, stejně jako chromozom Y, jsou homologní s určitými oblastmi ptačího chromozomu Z. X1 chromozom ptakopyska sdílí homologii s kuřecím Z chromozomem a oba sdílejí homologii s lidským chromozomem 9. Objev této homologie je důležitý pro pochopení mechanismu kompenzace dávek pro jednotlivce. V 50 % buněk samice ptakopyska je exprimována pouze jedna alela ze všech chromozomů X, zatímco zbývajících 50 % buněk exprimuje mnoho různých alel. Ačkoli chromozom Ptakopyska X1 má 11 genů , které se nacházejí na všech savčích chromozomech X, a chromozom X5 má gen zvaný DMRT1, který se nachází na chromozomu Z u ptáků , což je klíčový pohlavní gen u ptáků, celkové genomické studie ukázaly, že pět pohlaví X chromozomy ptakopyska jsou homologní s chromozomem Z ptáků [3] . Ptakopysk postrádá gen SRY (klíčový gen pro určení pohlaví u savců). Vyznačuje se neúplnou kompenzací dávky nedávno popsanou u ptáků. Mechanismus určování pohlaví ptakopyska je zjevně podobný jako u jeho plazích předků .
U ovocné mušky Drosophila melanogaster , ačkoli určování pohlaví, podobně jako u savců, probíhá pomocí pohlavních chromozomů, v jádrech samic nejsou žádná Barrova tělíska. Na druhou stranu chromozom X mužů se stává hyperaktivním, úroveň exprese jeho genů dosahuje celkové úrovně exprese z obou chromozomů X samic. Klíčovou roli v zajištění takové aktivity hraje ribonukleoproteinový komplex MSL ( Male specific lethal ) , který je, jak již název napovídá, nezbytný pro životně důležitou aktivitu samců [4] . MSL obsahuje proteinové produkty genů msl1 , msl2 , msl3 , mle , mof , které spolu s nekódujícími RNA RoX1 a RoX2 tvoří kompenzazom . Kompenzazomy se připojují ke stovkám genů vázaných na X u mužů a selektivně zvyšují transkripci některých z nich, čímž ji přivádějí na úroveň exprese u žen. Exprese alespoň některých genů msl je pod negativní kontrolou produktu genu Sxl ( Sex lethal ) , který se účastní počítání chromozomů X a určení pohlaví [5] [6] .
U háďátka C. elegans je pohlaví určeno počtem chromozomů X: u samců je to jeden au hermafroditů dva. Mechanismus kompenzace dávky u těchto zvířat je spouštěn stejnou signální dráhou jako určení pohlaví, ale je řízen jinou skupinou genů. Tento mechanismus spočívá ve dvojnásobném snížení transkripční aktivity na obou X chromozomech hermafroditů.
Určení pohlaví a kompenzace dávky začíná spočítáním počtu X chromozomů na autosu. X: A-signál u mužů (X0) spouští expresi genu xol-1 , který určuje vývoj embrya v mužském vzoru a také potlačuje expresi proteinu SCD-2. Přítomnost posledně jmenovaného je nezbytnou a postačující podmínkou pro aktivaci kompenzace dávky, která se tak vyskytuje pouze u hermafroditů. SCD-2 také nasměruje komplex kompenzace dávky na X chromozom. Tento multimerní komplex obsahuje mnoho proteinů, které mají v buňce další funkce (například MIX-1 se podílí na rozlišování chromozomů v anafázi ), nebo s takovými proteiny souvisí (zejména proteiny DPY-26 DPY-27 a DPY-28 jsou podobné proteinovému komplexu kondenzinu , podílí se na balení mitotických (a meiotických ) chromozomů). Kompenzační komplex dávky se váže na chromozom X na několika místech, poté se jeho inhibiční účinek může rozšířit na krátké nebo značné vzdálenosti.
Stejně jako lidé a mouchy i některé rostliny používají systém určování pohlaví XX/XY a vhodné mechanismy kompenzace dávkování. Silene latifolia (White tar) nese buď samčí (XY) nebo samičí (XX) sadu chromozomů, přičemž chromozom Y je menší než chromozom X, a proto je počet genů z něj exprimovaných menší. Dvě nezávislé studie [7] ukázaly, že exprese genů vázaných na X u samců sklípkanů je 70 % exprese u samic. Pokud by S. latifolia nepoužívala kompenzaci dávky, pak by očekávaná úroveň genové exprese u samců vázaných na X byla 50 % samice. Ačkoli má tato rostlina určitou kompenzaci dávkování, genová exprese samců stále nedosahuje 100 % samic, takže se předpokládá, že systém kompenzace dávkování u S. latiforia je stále v procesu evoluce. Navíc u rostlinných druhů, které nemají odlišné pohlavní chromozomy, může být kompenzace dávky aktivována během aberačních mitóz nebo aneuploidie a polyploidie . Genová exprese na párech chromozomů, které prošly duplikací/delecí, se může zvýšit nebo snížit, aby se kompenzovaly škodlivé účinky a vrátila se úroveň exprese k normálu.
Systém určování pohlaví ZZ/ZW se vyskytuje u většiny ptáků, některých plazů a Lepidoptera . V tomto systému je Z větší chromozom, takže homogametičtí muži (ZZ) jsou nuceni inaktivovat část genetického materiálu, aby vyrovnali expresi se ženami (ZW), které nesou malý chromozom W. Namísto heterochromatizace celého chromozomu, jak je tomu u lidí, kohouti (modelový organismus) používají selektivní umlčování , to znamená , že jsou umlčeny pouze určité geny na druhém chromozomu Z [8] [9] . Kohouti tedy exprimují v průměru 1,4–1,6 z celkové DNA chromozomu Z exprimovaného u kuřat [10] . Exprese genů chromozomu Z u samců zebřiček a kohoutů je vyšší než úroveň exprese autozomálních genů, ale u lidí je úroveň exprese chromozomu X u ženy rovna úrovni exprese autozomálních genů. genů [11] , což jasně ukazuje, že u kohoutů a samců zebřiček dochází k neúplnému umlčení. Stejně jako u kuřete domácího byl systém ZZ/ZW podrobně studován pouze u několika organismů; nedávné studie tohoto systému u bource morušového [12] nalezly podobnou neúplnou kompenzaci genů pro Z-chromozom. Z-vázané geny byly intenzivněji exprimovány u mužů než u žen a několik genů bylo stejně aktivních jak u mužů, tak u žen.
Ačkoli je epigenetický mechanismus kompenzace dávky u ptáků stále špatně pochopen ve srovnání s mechanismem kompenzace dávky u lidí a drozofil, nedávný výzkum v této oblasti odhalil důležité detaily tohoto procesu. Jedním takovým detailem je MHM ( samčí hypermethylovaná ), dlouhá nekódující RNA podobná Xist , která je exprimována pouze u kuřat (ZW). Je spojena se ženskou specifickou hyperacetylací histonu 4 na lysinu 16 v blízkosti lokusu MHM na chromozomu Z. Tento lokus je aktivně studován, protože se zdá být místem kompenzace dávky, mužské Z-chromozomy jsou hypermethylované, a proto je genová exprese tohoto lokusu snížena ve srovnání s ženskými pohlavními chromozomy, které jsou hyperacetylované, a odpovídající geny jsou aktivně exprimovány [13] .
Stejně jako u savců jsou ostrůvky CpG methylovány u kuřete domácího. Jedna studie zjistila, že ostrůvky CpG se nacházejí hlavně v kompenzační oblasti chromozomu Z, které se u slepic a kohoutů projevují odlišně. Z tohoto důvodu je vysoce pravděpodobné, že tyto CpG ostrůvky se nacházejí v těch genech, které jsou metylované a vypnuté na mužském Z chromozomu, ale zůstávají aktivní na ženském Z chromozomu.
Někdy k inaktivaci chromozomu X nemusí dojít náhodou. Například u vačnatců je chromozom otcovského původu vždy předmětem tohoto procesu. Tento jev se nazývá imprintovaná inaktivace a je považován za evolučně primitivní mechanismus [14] .
Vtisknutá inaktivace se může příležitostně objevit u placentárních savců, jako jsou myši. U těchto hlodavců ve stadiu 2-4 blastomer přechází rodičovský chromozom X do stavu heterochromatinu . Tento vzorec inaktivace je zachován v trofoblastu blastocysty , který se podílí na tvorbě placenty , zatímco k přeprogramování dochází později v buňkách embryoblastu: nejprve všechny chromozomy přejdou do aktivního stavu, po kterém dojde k náhodné inaktivaci [15] .