Эпигенетика детерминации пола

В случае детерминации пола у дрозофилы цепь эпигенных изменений расшифрована до молекулярного уровня. Можно сравнить основные принципы генетики пола у дрозофилы и у человека. Сравнение весьма уместно, ибо, напомню, хромосомные болезни у человека были на четверть века ранее открыты и смоделированы на дрозофиле.

У дрозофилы самки имеют при оплодотворении генотип XX, а самцы XY. В Х-хромосоме локализован основной ген-переключатель Sxl, способный под действием генотипического сигнала быть в двух альтернативных состояниях. У самок продукт гена всегда активен, у самцов — неактивен. Соответственно, самки имеют генотип Sxl⁺/ Sxl⁺, a самцы — Sxl⁰ /Y. Делеционные, инсерционные или точковые мутации "утраты функции" (loss of function) гена-переключателя Sxl в гомозиготе детальны у самок, но жизнеспособны у самцов. И, напротив, конститутивные мутации типа "приобретение функции" (gain of function), когда Sxl не способен переходить под действием сигнала в неактивное состояние, — летальны у самцов.

Переключатель Sxl имеет два промотора: ранний и поздний. При импульсной активации первого промотора под действием сигнала у самок синтезируется РНК-связывающий белок. Затем этот белок (по типу эпигена — раздел 4.6.) регулирует правильный сплайсинг собственной РНК с позднего промотора. В итоге синтезируется функционально активный белок SXL. Этот белок, в свою очередь, регулирует правильный сплайсинг и синтез функционально активного ДНК-связывающего продукта гена tra, transformer — первого в каскадной цепи пол-определяющих генов. У гомозиготных мутантных самок tra/tra происходит реверсия пола, а у самцов мутация никак не проявляется, ибо в норме у них ген не активен. Таким образом, активное состояние Sxl⁺ гена-переключателя передается по цепочке к генам, запускающим половую дифференцировку.

Еще на заре генетики было установлено, что сигналом для детерминации пола у дрозофил служит хромосомный баланс: соотношение половых хромосом и аутосом. В статье, красноречиво названной "Сигнал детерминации пола или как мухи считают до двух" Томас Клайн (dine, 1993) анализирует, современный смысл понятия "хромосомный баланс". В Х-хромосоме локализованы два особых гена (sisA и sisB), названных "нумераторы", которые кодируют ДНК-связывающие белки и доза которых имеет важное сигнальное значение для статуса гена-переключателя. Оба гена транскрипционно активны с самого начала развития и их продукты активируют Sxl во всех клетках сомы. Активация раннего промотора переключателя Sxl зависит от концентрации Sis-белков, количество которых в 2 раза больше у XX-эмбрионов, нежели у XY. Таким образом, несколько размытое понятие "хромосомный баланс" получает конкретное молекулярное истолкование. Оценивается число нумераторов через концентрацию их продуктов. Соответственно оценивается число Х-хромосом с нумераторами/

Если взять за основу эпигенетическую триаду: сигнал — восприятие сигнала геном-переключателем — поддержание выбранного состояния, то можно сопоставить механизмы детерминации пола у человека и дрозофилы. У обоих видов женский пол имеет конституцию XX, а мужской — XY. Однако, у дрозофилы возникающие иногда при нерасхождении половых хромосом особи генотипа XXY имеют женский пол, а у человека — мужской (синдром Клайнфельтера). Y-хромосома человека несет ген SRY, одно присутствие которого определяет развитие по мужскому типу (Lyon, 1993). Ген этот клонирован, показано, что он кодирует ДНК-связывающий белок и что повреждение гена ведет к реверсии пола у генотипически мужских особей XY.

До начала 90-х годов полагали, что присутствия нормального гена SRY необходимо и достаточно для детерминации мужского пола. Однако были обнаружены особи XX с реверсией пола, не несущие вовсе ДНК Y-хромосомы. Как объяснить их происхождение?

Критический анализ этой проблемы дан в работе группы французских генетиков (McElreavey, 1993). На основе изучения статуса гена SRY yпочти 100 индивидов XX с реверсией пола, а также родословных, где выщепляются особи с реверсией, пола авторы предложили "регуляторную каскадную гипотезу" определения пола у человека и других млекопитающих. В основе лежит известная схема с иерархией действующих генов: сигнальный ген (негативный регулятор) — основной ген-переключатель — гены, дифференцирующие пол по мужскому или женскому типу. Предполагается, что, пол-детерминирующий фактор SRY, найденный у самцов всех изученных млекопитающих, есть на самом деле сигнальный ген. Его продукт представляет собой ДНК-связывающий белок, который относится к группе белков, регулирующих транскрипцию. Согласно гипотезе, SRY усамцов подавляет транскрипцию или резко снижает активность ключевого гена-переключателя, обозначенного как Z. Но если у дрозофилы сигналом переключения состояния гена Sxl служит соотношение Х-хромосом и аутосом, то у человека ген SRY является доминантным геном-супрессором, подавляющим активность аутосомного переключателя Z, и тем самым сдвигающим развитие зиготы в сторону мужского пола. Таким образом, оказывается, что основной ген-переключатель, от которого зависит выбор полового развития, у человека еще не найден!

Пол-детерминирующее действие гипотетического гена Z учеловека принципиально сходно с аналогичным геном Sxl удрозофилы. В обоих случаях переключатель должен быть активен у самок и выключен у самцов. Данная гипотеза дает возможность объяснить обширный спектр отклонений в развитии пола и делать предсказания. Например, загадочное появление фенотипических мужчин с кариотипом XX и отсутствием гена SRY, но с тестикулярными тканями или истинных гермафродитов может быть связано с разного рода мутациями гена Z. С другой стороны, если произошла мутация в гене Z, которая делает его нечуствительным к ингибирующему действию SRY, z,^insensitive, то следует ожидать реверсии пола среди мужских генотипов XY, SRY⁺; Z⁺/Zⁱ . Подобные мутации (их называют конститутивными) должны быть доминантными и проявлять свое действие уже в гетерозиготе.

Действительно, недавно была описана группа пациентов генотипа XY со специфическими скелетными аномалиями и реверсией пола, которые имели разного рода мутации в аутосомном гене SOX9 (хромосома 17q). Эти мутации были доминантными, как и следовало ожидать в соответствии с гипотезой. Кроме того, продукт данного аутосомного гена также как и гена SRY относится к группе ДНК-связывающих белков и функционально активен в гонадных клетках Сертолли. Возможно, найдены два первых гена в каскадной эпигенетической цепи, контролирующей детерминацию пола у человека (Sinclair, 1995).

Установлено, что область белка SXL, ответственная за связывание с ДНК у млекопитающих эволюционно консервативна. Поэтому поиск ключевого гена-переключателя происходит и на модельных животных объектах. У свиней, коз, лошадей, например, описаны рецессивные аутосомные мутации интерсексуальности с исходно женским генотипом XX. Этого следует ожидать в случае мутации в гипотетическом ключевом гене Z (McElreavey, et al., 1993).

7.3.2. Инактивация Х-хромосомы как эпигенетическое изменение

Другим примером эпигенетических изменений, протекающих по известному сценарию сигнал — выбор одного из альтернативных состояний — поддержание, является инактивация одной из двух X-хромосом у самок млекопитающих. Путем инактивации одной из X-хромосом у самок млекопитающих происходит компенсация дозы генов, локализованных в Х-хромосомах. Молекулярный механизм X-хромосомной инактивации, цитологически установленной в 1961 году, оставался загадкой вплоть до недавнего времени (детальный обзор: Нестерова, Закиян, 1994). В 1996 году молекулярно-генетическими методами была подтверждена правильность ранее высказанной гипотезы, что в основе явления инактивации Х-хромосомы лежат разные транскрипционные состояния одного гена-переключателя (Penny, et al., 1996; Lyon, 1996).

В Х-хромосоме имеется центр инактивации Xic (X-inactivation centre), от которого в обе стороны распространяется сигнал инактивации Х-хромосомы в генотипе самок. В пределах этого центра есть ген, обозначаемый у человека как XIST, а у мышей — Xisi (X — inactive specific transcript). Если этот ген-переключатель в хромосоме транскрипционно активен (состояние Xist⁺), то в данной хромосоме запускается центр инактивации, и затем инактивация распространяется в обе стороны от центра на всю ее длину (так называемая цис-регуляция). В итоге Х-хромосома с активированным центром становится генетически инертной, и тем самым дозы сцепленных с полом генов у двух полов выравниваются (феномен дозовой компенсации).

Если ген XIST в данной Х-хромосоме "молчит", то она не инактивируется. Как же происходит переключение состояния локуса? Сценарий здесь принципиально сходен с тем, как переключается состояние гена, детерминирующего пол у дрозофил (у самок дрозофил, имеющих генотип XX, ген Sxl включен, а у самцов XY — выключен). С областью расположения центра инактивации Xic связаны три функции, контролируемые отдельными генетическими элементами: 1) оценка числа X-хромосом, которые должны быть инактивированы — "счетный механизм", 2) выбор конкретных Х-хромосом, в которых запускается работа центра и 3) распространение процесса инактивации на всю X-хромосому.

Предполагается, что в нормально работающей Х-хромосоме центр инактивации с геном XIST выключен. В каждой клетке имеется ограниченное количество супрессирующего фактора, который, связываясь с рецепторным участком центра инактивации, "заглушает" работу центра. Когда с помощью делеции был удален участок в 7 т. п. о. в первом экзоне гена Xist у мышей, то такие Х-хромосомы с нулевым аллелем Xist⁰ оставались всегда активными. У самок-гетерозигот Xist/Xist⁰ проявлялись только те сцепленные с полом мутации, которые находились в хромосоме с нефункциональным геном Xist⁰ (Penny D. G., et al., 1996). В норме Xist локус не кодирует белок, но с него считывается РНК размером в 15–17 т. п. о. Эта РНК остается в ядре, будучи ассоциированной с неактивной Х-хромосомой и выступает в роли сигнала для цис-инактивации соответствующей Х-хромосомы.

Таким образом, в пределах центра инактивации есть рецепторный участок, который чувствителен к соотношению Х-хромосом и аутосом. Если оно равно 1:2, то запускается работа гена Xist. Его РНК-транскрипт подавляет активность Х-хромосомы, в которой расположен работающий XIST(Xist) ген.

У млекопитающих известны случаи неслучайной инактивации X-хромосомы. У австралийских сумчатых инактивируется отцовская X-хромосома. А у межвидовых гибридов полевок рода Microtus обычно инактивируется та Х-хромосома, которая содержит блок гетерохроматина (Нестерова, Закиян, 1994). Нельзя исключить, что подобные отклонения не могут возникнуть при некоторых мутационных изменениях генома у человека.