Эпигенетика. Как современная биология переписывает наши представления о генетике, заболеваниях и наследственности - Несса Кэри

Хромосома Y несет очень немного активных генов. На хромосоме Y всего лишь от 40 до 50 кодирующих белки генов, из которых приблизительно половина—специфические мужские. Специфические мужские гены присутствуют только в хромосоме Y, так что у женщин их копии отсутствуют. Многие из этих генов необходимы для специфически мужских аспектов воспроизводства. Наиболее важный из них, если говорить об определении пола будущего ребенка, является ген под названием SRY. Белки SRY обусловливают развитие яичек у эмбриона, что приводит к продукции тестостерона, основного мужского гормона, который и определяет соответствующий пол эмбриона, т. е. маскулинизирует его.

Иногда у индивидуумов, по фенотипу принадлежащих к девочкам, обнаруживается мужской кариотип 46, XY. В этих случаях ген SRYчасто оказывается репрессивным, или же он просто отсутствует, тогда, как следствие, плод развивается по женскому пути[94]. Иногда может иметь место и другой сценарий. Индивидуумы, являющиеся по фенотипу мальчиками, приобретают типично женский кариотип 46, XX. В таких случаях крошечный участок хромосомы Y, содержащий ген SRY, часто переносится на другую хромосому во время формирования сперматозоидов у отца. Этого оказывается достаточно, чтобы инициировать маскулинизацию плода[95]. Перенесенный участок хромосомы Y слишком мал, чтобы быть обнаруженным в процессе создания кариотипа.

Совершенно иначе обстоит дело с хромосомой X. Она чрезвычайно велика и несет около 1300 генов. Огромное количество из числа этих генов ответственно за работу мозга. Многие другие требуются на различных стадиях формирования яичников или яичек, а также для прочих аспектов, определяющих способность к воспроизведению, как у мужчин, так и у женщин[96].

Подучить правильную дозу

Итак, на хромосоме X около 1300 генов. Это порождает любопытную проблему. У женщин две хромосомы X, а у мужчин только одна. Это значит, что у женщин по две копии этих 1300 генов на хромосоме X, а у мужчин только по одной. На основании этого мы можем выдвинуть предположение, что женские клетки должны вырабатывать вдвое больше белков, регулируемых этими генами (относятся к так называемым Х-генам), чем мужские клетки.

Однако имеющиеся у нас сведения о таких нарушениях как синдром Дауна заставляют усомниться в справедливости нашей гипотезы. Обладание тремя копиями хромосомы 21 (вместо обычных двух) приводит к синдрому Дауна, и именно это отклонение является главным нарушением у людей, родившихся с таким заболеванием. Трисомии большинства других хромосом вызывают настолько тяжелые последствия, что дети с такой патологией никогда не рождаются, так как эмбрионы просто нежизнеспособны (т. е. погибают внутриутробно. Прим. ред). Например, ни разу не был рожден ребенок, который бы имел в своих клетках три копии хромосомы 1. Если 50-процентное увеличение экспрессии генов какой-либо аутосомы способно вызывать настолько тяжелые проблемы в состояниях трисомии, то, как мы объясним сценарий с хромосомой X? Как могут женщины выживать, если у них вдвое больше принадлежащих хромосоме X генов, чем у мужчин? Или, если перефразировать вопрос, как могут жить мужчины, когда у них вдвое меньше генов хромосомы X, чем у женщин?

Ответ на оба эти вопроса заключается в том, что экспрессия локализованных на хромосоме X генов в действительности абсолютно одинаковая как у мужчин, так и у женщин, несмотря на разное количество хромосом, и феномен этот называется компенсацией доз. Система определения половой принадлежности XY отсутствует у животных других классов, так что компенсация доз хромосомы X присуща исключительно плацентарным млекопитающим.

В начале 1960-х годов британская генетик Мэри Лайон выдвинула гипотезу о том, как должна происходить компенсация доз хромосомы X. Ее предположения сводились к следующему:

1) клетки здоровой женщины содержат только одну активную хромосому X;

2) репрессия хромосомы X происходит на ранних этапах развития;

3) репрессированная хромосома X может быть получена или от матери, или от отца, причем репрессия происходит случайным образом в какой-либо одной клетке;

4) репрессия хромосомы X будет необратимой в соматической клетке и во всех ее производных.

Ее предсказания оказались удивительно точными[97][98]. Настолько точными, что во многих учебниках репрессия хромосомы X называется лайонизацией. Давайте и мы рассмотрим ее «пророчества» по очереди:

1) отдельные клетки здоровой женщины действительно экспрессируют гены только с одной копии хромосомы X — другая копия, по сути, подавлена;

2) репрессия хромосомы X происходит на ранних этапах развития, на той его стадии, когда плюрипотентные клетки эмбриональной внутриклеточной массы начинают дифференцироваться, выбирая собственные пути специализации (около вершины уоддингтоновского эпигенетического ландшафта);

3) в среднем, у 50 процентах клеток у женщин полученная по материнской линии хромосома X не задействована. У остальных 50 процентов клеток эта хромосома, унаследованная от отца, репрессируется;

4) так как клетка подавляет одну из пары хромосому X, именно эта копия хромосомы X остается репрессированной во всех дочерних клетках на протяжении всей жизни женщины, даже если ей предстоит прожить более ста лет.

Хромосома Х репрессируется не мутацией; последовательность ДНК в ней остается совершенно неизменной. Репрессия хромосомы X является типичным эпигенетическим феноменом.

Тема репрессии хромосомы X оказалась удивительно плодородным полем для исследований. У некоторых механизмов, принимающих в ней участие, обнаружились параллели в ряде других эпигенетических и внутриклеточных процессов. Репрессия хромосомы X имеет важные последствия для возникновения у человека определенных заболеваний и для проблем терапевтического клонирования. И даже сегодня, через 50 лет после революционной работы Мэри Лайон, мы все еще далеко не до конца представляем себе, как именно происходит репрессия хромосомы X.

Чем больше мы вникаем в этот процесс, тем более удивительным он нам представляется. Для начала, репрессия возможна лишь только у хромосомы X, но ни у одной из аутосом, а это значит, что клетка должна обладать каким-то способом отличать хромосомы X от аутосом. Более того, репрессия хромосомы X затрагивает не один или несколько генов, как это происходит при импринтинге. Нет, при репрессии хромосомы X более 1000 генов подавляются на десятилетия.