Компенсация дозы генов у млекопитающих

Дозовая компенсация у млекопитающих происходит в результате инактивации одной из Х-хромосом у самок.

В 1949 г. М. Барр обнаружил компактные глыбки хромосомного материала в ядрах нервных клеток у кошек, у котов таких глыбок не было. По имени исследователя эти структуры были названы тельцами Барра. Через 10 лет выяснилось, что тельце Барра формируется из одной Х-хромосомы в соматических клетках самок всех млекопитающих.

В 1961 г. Мэри Лайон сделала вывод о том, что образование телец Барра – это и есть механизм дозовой компенсации генов, локализованных в Х-хромосомах млекопитающих.

Процесс инактивации Х-хромосом у самок млекопитающих был назван лайонизацией. Лайонизация Х-хромосомы у человека происходит в раннем эмбриональном развитии на 16-е сутки. Инактивированная Х-хромосома неактивна на протяжении всей жизни организма; относится к гетерохроматину.

Теперь о тонком механизме лайонизации. Оказалось, что в Х-хромосомах млекопитающих существует особый центр инактивации (Хic – X chromosome inactivation center). Инактивация начинается в этом единственном центре и затем прогрессивно распространяется вдоль всей Х-хромосомы. Она происходит по закону «все или ничего». Установившись однажды в эмбриогенезе, неактивное состояние Х-хромосомы передается дочерним клеткам во всех последующих клеточных генерациях.

Длина ДНК, занимаемой центром Хic, составляет примерно 1 млн п.н. Этот район содержит несколько генов. Из них важнейший – Xist (X-inactive-specific transcript) – ген, кодирующий длинную некодирующую РНК, которая необходима для инактивации Х-хромосомы.

Образующиеся молекулы этой Xist - РНК связываются с ДНК Х-хромосомы в особых участках, которые есть только в Х-хромосомах (их совсем нет в других хромосомах); это так называемые «участки усиления и передачи сигналов». Затем разобщенные пространственно молекулы Xist – РНК объединяются в единый комплекс друг с другом и с белками ядерной ламины. В результате такого взаимодействия ДНК данной Х-хромосомы «складывается», происходит компактизация ее структуры и связывание с ядерной оболочкой, т.е. образуется тельце Барра.

Таким образом, механизмы дозовой компенсации у млекопитающих и дрозофилы противоположные; в первом случае это компактизация ДНК и подавление транскрипции (и связанная с этим поздняя репликация), а во втором случае – разрыхление структуры ДНК, гипертранскрипция и, как побочный эффект, ранняя репликация ДНК.

Лекция № 7

Тема лекции: Нехромосомное (цитоплазматическое) наследование

План лекции:

1. Основные закономерности и примеры цитоплазматического наследования у эукариот

2. Геном митохондрий

3. Геном хлоропластов

1. Основные закономерности и примеры цитоплазматического наследования у эукариот

Сначала основное определение:

Нехромосомное, или цитоплазматическое наследование – это наследование, которое определяется генетическими элементами цитоплазмы (в отличие от хромосомного, или ядерного). К генетическим элементам цитоплазмы у эукариот относятся геномы митохондрий и хлоропластов.

Основные закономерности цитоплазматического наследования:

1. Цитоплазматическое наследование осуществляется по материнской линии. Это связано с тем, что яйцеклетка имеет много цитоплазмы с содержащимися в ней элементами наследственности, а в мужской половой клетке цитоплазма практически отсутствует.

2. Отсутствие строгих количественных закономерностей расщепления. Причина этого в том, что для органоидов цитоплазмы нет такого тонкого механизма распределения при делении клеток, какое существует для хромосом; количество органоидов непостоянно, а деление цитоплазмы не совсем равномерное.

Основоположниками изучения цитоплазматической наследственности являются немецкие генетики К. Корренс и Э. Баур. В 1908 г. они изучали наследование признака пестролистности у растения ночная красавица (Mirabilis jalapa). У этого вида встречаются пестролистные растения, которые имеют в точках роста разные группы клеток: с неокрашенными пластидами, неспособными к образованию хлорофилла, и с нормальными (зелеными) пластидами. Вследствие этого иногда на растении образуются чисто зеленые или совершенно белые ветви. Семена, полученные с белых ветвей, дают нежизнеспособные всходы, так как у них не идет процесс фотосинтеза.

При опылении цветков с пестролистных ветвей пыльцой от цветков с зеленых ветвей и при реципрокном скрещивании результаты получаются различными. В первом случае (♀пестролистное × ♂зеленое) гибридные растения развиваются пестролистными, зелеными или белыми (гибнут). При реципрокном скрещивании (♀зеленое х ♂ пестролистное) в потомстве все растения оказываются зелеными. Цветки с зеленых ветвей дают только зеленое потомство, а с белых – белое (нежизнеспособное), независимо от того, пыльцой с каких растений они опылялись.

♂ З ♂ З ♂ З

Р: ♀ З х ♂ П ♀ П х ♂ П ♀ Б х ♂ П

♂ Б ♂ Б

♂ Б ♂ Б

F1: З З, П, Б Б

Был сделан вывод, что наследование пестролистности связано с передачей и распределением при клеточных делениях двух типов пластид - зеленых и неокрашенных, причем передаются пластиды через яйцеклетку, в результате чего наследование осуществляется по материнской линии.

Исключение: у герани (Pelargonium zonale) пластиды передаются не только яйцеклеткой, но и спермием, содержащим цитоплазму. При этом пестролистность наследуется не только по материнской, но и по отцовской линии.

Механизм формирования белых, зеленых и пестрых частей растений определяется характером их распределения при клеточном делении (см. схему). Если клетка, имеющая два сорта пластид, разделится по линии АБ, то образуются две клетки, которые дадут два участка (белый и пестрый), при разделении по линии ВГ – зеленые и пестрые.

Другой пример цитоплазматического наследования – наследование митохондрий.

У некоторых грибов (дрожжи, нейроспора) была обнаружена дыхательная недостаточность, связанная с тем, что в результате мутации в их митохондриях не вырабатывалась цитохромоксидаза. Такие клетки давали карликовые колонии на питательном агаре.

Б. Эфрусси в 1949 г. обнаружил гаплоидные штаммы дрожжей Saccharomyces cerevisiae, которые образовывали карликовые колонии при вегетативном размножении.

При их скрещивании с нормальными (тоже гаплоидными) дрожжами формируется диплоидная зигота. Из нее путем мейоза образуются 4 гаплоидные аскоспоры, из которых образуются нормальные колонии, что подтверждает цитоплазматический характер наследования.

Еще один пример – явление цитоплазматической мужской стерильности, обнаруженное у многих растений – кукурузы, лука, свеклы, льна и др. Цитоплазматическая мужская стерильность у кукурузы была открыта в 30-х годах одновременно в СССР М.И. Хаджиновым и в США М. Родсом.

Кукуруза – однодомное растение, женские цветки у нее собраны в початок, мужские – в метелку. У некоторых сортов кукурузы были обнаружены растения, имевшие в метелках недоразвитые пыльники, часто совершенно пустые.

Оказалось, что этот признак определяется особенностями цитоплазмы. Опыление растений с мужской стерильностью нормальной пыльцой с других растений в большинстве случаев дает в потомстве растения со стерильной пыльцой. При повторении этого скрещивания в течение ряда поколений признак мужской стерильности не исчезает, передаваясь по материнской линии. Это послужило убедительным доказательством того, что наследование данного признака осуществляется через цитоплазму и связано с плазмидой.

Интересно, что генотип растения может оказывать влияние на экспрессию генов фактора мужской стерильности, не влияя на его сохранение в цитоплазме. Пыльца может быть стерильной только при наличии в генотипе растения рецессивного гена rf в гомозиготном состоянии rf rf. Если же этот ген представлен доминантной аллелью Rf, то растение имеет нормальную пыльцу. Аллель Rf является, таким образом, подавителем генов фактора мужской стерильности.

От цитоплазматического наследования следует отличать предетерминацию цитоплазмы – это такие изменения свойств цитоплазмы, которые могут наследоваться, но не связаны с генетическими элементами цитоплазмы.