劑量補(bǔ)償效應(yīng).ppt

劑量補(bǔ)償效應(yīng)及機(jī)制,目錄,劑量補(bǔ)償?shù)亩x劑量補(bǔ)償?shù)臋C(jī)制基因組印記與X染色體失活雄性生殖細(xì)胞X染色體失活劑量補(bǔ)償機(jī)制的不足劑量補(bǔ)償效應(yīng)的應(yīng)用,劑量補(bǔ)償效應(yīng)的定義,所謂劑量補(bǔ)償效應(yīng)指的是在XY性別決定機(jī)制的生物中，使性連鎖基因在兩種性別中有相等或近乎相等的有效劑量的遺傳效應(yīng)。也就是說，在雌性和雄性細(xì)胞里，由X染色體基因編碼產(chǎn)生的酶或其他蛋白質(zhì)產(chǎn)物在數(shù)量上相等或近乎相等。,一般來講：,在性染色體決定性別的生物中，雄性和雌性個(gè)體的細(xì)胞內(nèi)含有兩份同樣拷貝的常染色體，而性染色體則含量不同，如XY型性別決定中，雌性含有兩份X，而雄性則只有一份X。在哺乳動物包括人在內(nèi)，常染色體數(shù)目增加的個(gè)體常常是致死的，而性染色體數(shù)目的增加則多只影響個(gè)體的正常發(fā)育，譬如說帶有1，2，3甚至4個(gè)拷貝X染色體的人體仍然是可以存活的。這也就是說，在哺乳動物中一定存在一種機(jī)制可以補(bǔ)償X染色體的超量，這種機(jī)制叫劑量補(bǔ)償效應(yīng)(dosagecompensationeffect)。,劑量補(bǔ)償?shù)臋C(jī)制,劑量補(bǔ)償有兩種機(jī)制，在不同生物中不同：一種是調(diào)節(jié)X染色體的轉(zhuǎn)錄速率；一種是使雌性細(xì)胞中的一條X染色體失活。,調(diào)節(jié)X染色體的轉(zhuǎn)錄速率機(jī)制：果蠅雌性細(xì)胞中的兩條X染色體都是有活性的，但它們的轉(zhuǎn)錄速率只是雄性細(xì)胞里單條X染色體的轉(zhuǎn)錄速率的50%，因此，雌性和雄性細(xì)胞里X染色體的基因產(chǎn)物在量上是相近的。果蠅的劑量補(bǔ)償效應(yīng)主要是通過Sxl蛋白阻止雌性X染色體的過度轉(zhuǎn)錄來調(diào)節(jié)的。如下圖：,在果蠅中通過Sxl基因?qū)┝垦a(bǔ)償?shù)恼{(diào)控,在雌性果蠅中，X:A(Autosome)1的比例所提供的信號和母體基因激活sxl基因，它使msl-2(male-specificlethaleffect，為4個(gè)雄性致死效應(yīng)基因msl-1、msl-2、msl-3、mle中的1個(gè))的RNA不能適當(dāng)?shù)募艚?，結(jié)果產(chǎn)生無效的Msl-2蛋白，從而不能使其它的msl基因激活，這樣X染色體就以基礎(chǔ)水平轉(zhuǎn)錄；而在雄性中，X:A0.5，Sxl基因關(guān)閉，這時(shí)msl-2可不受干擾從而正確剪接，產(chǎn)生有活性的Msl-2蛋白，從而進(jìn)一步激活其它的msl(maleless)基因，使X染色體高水平轉(zhuǎn)錄，這樣雄果蠅雖然只有一條X染色體，但表達(dá)的量與雌果蠅二條X染色體表達(dá)的量相近，達(dá)到劑量平衡。由于msl-1、msl-2、msl-3基因位于第二號染色體上，mle位于第三號染色體上，當(dāng)常染色體套數(shù)增加時(shí)，msls的產(chǎn)量也隨之增加，對X染色體表達(dá)的促進(jìn)作用也更強(qiáng)，因此超雄(1X:3A)X染色體的活性比正常的雄性(1X:2A)更高。,哺乳動物中X染色體的失活示意圖,X染色體失活機(jī)制：在一個(gè)動物的生命周期中，X染色體活性存在著由失活和重新激活的循環(huán)。早期雌性胚胎中兩條X染色體都有活性，失活發(fā)生在特定的發(fā)育階段，如人胚胎發(fā)育至第16天以后其中一條X染色體隨機(jī)失活。在這個(gè)個(gè)體隨后的整個(gè)生命中，每條X染色體在以后的有絲分裂中，保持它的活性或無活性狀態(tài)。而在雌性生殖細(xì)胞中，已失活的X染色體在細(xì)胞進(jìn)入減數(shù)分裂前的時(shí)刻又將重新被激活，因此，在成熟的卵細(xì)胞里的兩條X染色體又都是有活性的。所以無論是雌性還是雄性細(xì)胞都只有一條X染色體是有活性的，哺乳類和人類屬于這種情況。,巴氏小體,早在1949年MurrayBarr等人發(fā)現(xiàn)在雌貓的神經(jīng)細(xì)胞間期核中有一個(gè)染色很深的染色質(zhì)小體，而雄貓中沒有。后來在大部分正常女性表皮口腔頰膜，羊水等許多組織的間期核中也找到一個(gè)特征性的、濃縮的染色質(zhì)小體，而正常男性無。由于這種染色質(zhì)小體與性別及X染色體數(shù)目有關(guān)，所以稱為性染色質(zhì)體(sex-chromatinbody)，又名巴氏小體(Barrbody)，這是一種高度濃縮的、惰性的、X染色體異染色質(zhì)化的小體。,正常男性(XY)和女性(XX)的細(xì)胞核，箭頭示女性核中的巴氏小體（它就是失活的X染色體）,Lyon假說,細(xì)胞學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)Barr小體的數(shù)目正好是X染色體數(shù)目減l，XXX女人和XXXY男人的體細(xì)胞間期核中有兩個(gè)Barr小體；XXXX女人中有3個(gè)Barr小體。也就是說在所有超過一條X染色體的個(gè)體體細(xì)胞中只有一條X染色體是有活性的。這一概念是MaryLyon于1961年提出的，因此也稱為Lyon假說(Lyonhypothesis)，其主要內(nèi)容是：,(1)巴氏小體是遺傳上失活（或大部分失活）的X染色體。也就是說，在正常雌性哺乳動物的體細(xì)胞中，只有一條X染色體在遺傳上是有活性的，這樣就保證了染色體為XX的雌性和XY的雄性具有相同的有效基因產(chǎn)物。X染色體失活的過程稱為萊昂化(lyonization)。,(2)失活是隨機(jī)的。在同一哺乳動物的體細(xì)胞中，有些細(xì)胞里父源的X染色體失活；另一些細(xì)胞里，則是母源的X染色體失活。巴氏小體的失活是隨機(jī)的,(3)失活發(fā)生在胚胎發(fā)育的早期，例如人類，在胚胎發(fā)育第16天時(shí)(合子細(xì)胞增殖到5000-6000個(gè)細(xì)胞時(shí))發(fā)生失活。某一個(gè)細(xì)胞的一條X染色體一旦失活，這個(gè)細(xì)胞的所有后代細(xì)胞中的該X染色體均處于失活狀態(tài)。,(4)雜合體雌性在伴性基因的作用上是嵌合體(mosaic)-某些細(xì)胞中來自父方的伴性基因表達(dá)，某些細(xì)胞中來自母方的伴性基因表達(dá)，這兩類細(xì)胞隨機(jī)地相嵌存在。由于X的失活使玳瑁雌貓呈現(xiàn)花斑皮毛(5)在形成生殖細(xì)胞時(shí)，失活的X染色體重新激活。,Lyon假說得到一些證據(jù)的有力支持。在雌性雜合體玳瑁貓中，位于X染色體上的黑色皮毛基因B(black)是橙色(orange)皮毛基因b的一個(gè)顯性等位基因，由于雌性雜合玳瑁貓(XBXb)的X染色體在發(fā)育早期細(xì)胞中隨機(jī)失活，XB染色體失活的細(xì)胞的有絲分裂后代細(xì)胞產(chǎn)生橙色皮毛斑點(diǎn)，而Xb染色體失活則呈現(xiàn)黑色皮毛斑點(diǎn)。而且玳瑁貓的毛皮上出現(xiàn)這種黑色和橙色斑塊的幾乎總是雌性雜合體。,Lyon假說的證據(jù),支持萊昂學(xué)說的生物化學(xué)證據(jù)首先來自對葡萄糖-6-磷酸脫氫酶(G-6-PD)雜合性婦女培養(yǎng)的皮膚成纖維細(xì)胞中G-6-PD表達(dá)的研究。G-6-PD基因位于X染色體上，G-6-PD的活性在男女中是相同的。G-6-PD有A、B兩種類型，二者僅相差一個(gè)氨基酸，但可通過電泳區(qū)分，它們由一對等位基因GdA和GdB所編碼。當(dāng)取自GdAGdB雜合婦女的皮膚細(xì)胞原始培養(yǎng)物時(shí)，電泳圖譜上出現(xiàn)A、B兩種條帶，而當(dāng)檢測單個(gè)細(xì)胞的培養(yǎng)物時(shí)(克隆培養(yǎng))，每個(gè)克隆只出現(xiàn)一條電泳帶，或者完全表現(xiàn)為A型條帶，或者完全為B型條帶。AB雜合體女性G-6-PD電泳圖，示X染色體失活造成的X連鎖基因失活,X染色體失活是發(fā)育過程中獨(dú)特的調(diào)節(jié)機(jī)制，該機(jī)制調(diào)節(jié)著整個(gè)X染色體上基因的表達(dá)，但對于X染色體失活的具體機(jī)制目前仍知之甚少，近年來，通過遺傳分析，有了以下幾點(diǎn)認(rèn)識：(1)通過人類和小鼠的遺傳分析表明，失活起始于X染色體長臂的某一位點(diǎn)，然后向染色體的兩端擴(kuò)展。這個(gè)起始位點(diǎn)就是所謂的X失活中心(X-inactivationcenter，XIC)。如圖：,X染色體失活機(jī)制的研究進(jìn)展,X染色體失活機(jī)制,通過對X染色體的缺失和轉(zhuǎn)位所引起的失活破壞實(shí)驗(yàn)而定位了這個(gè)位點(diǎn)，通過分子雜交證明XIC位于Xq13的位置。在XIC內(nèi)發(fā)現(xiàn)一個(gè)叫XIST的基因(X-inactivespecifictranscript)，這個(gè)基因僅僅在失活的X染色體上有特異性的表達(dá)（即Xi特異轉(zhuǎn)錄本），在有活性的X染色體上是不表達(dá)的（如下圖）。XIST編碼一種很大的非翻譯的RNA，在人類中XIST轉(zhuǎn)錄物的大小是17kb，小鼠是15kb，兩者間的同源性很低，這個(gè)RNA只局限在細(xì)胞核內(nèi)并特異性地位于失活的X染色體上。,XIST基因在失活的X染色體上表達(dá)。標(biāo)記基因HPRT(次黃嘌呤磷酸核糖基酸轉(zhuǎn)移酶)在有活性的X染色體上表達(dá)，而在失活的X染色體上是不表達(dá)的,(2)大多數(shù)的X連鎖基因在胚胎早期發(fā)育過程中表現(xiàn)為穩(wěn)定的轉(zhuǎn)錄失活，但并非整條X染色體上的所有基因均失活。在X染色體的短臂遠(yuǎn)端編碼細(xì)胞表面蛋白的基因MIC2、XG、以及甾固醇硫酸酯酶基因STS是逃避失活的，還有與Y染色體配對的區(qū)域內(nèi)或處于附近的基因，也有短臂近端或長臂上的基因，這些基因既可由有活性的X染色體（Xa）也可由失活的X染色體（Xi）表達(dá)。,(3)在失活的X染色體上，逃避失活的基因與失活基因是穿插排列的。這意味著失活基因轉(zhuǎn)錄的關(guān)閉不是由它們所在的區(qū)域決定的，而是與某些位點(diǎn)有關(guān)。如右圖：,同源染色體上基因表達(dá)活性不同的遺傳現(xiàn)象稱為基因印跡(geneimprinting),也稱為親源性印跡(parentalimprinting)。具有這種現(xiàn)象的基因被稱為印跡基因(imprintedgene)。印跡基因有以下特點(diǎn):性別特異性、組織特異性;配子形成過程中可以擦除和重建;在體細(xì)胞的有絲分裂中能穩(wěn)定地傳遞給子細(xì)胞?；蛴≯E的意義在于能夠有效地防止單性生殖的發(fā)生,維持遺傳的多樣性,但也增加了顯性突變的危險(xiǎn)性。,基因組印記與X染色體失活,目前,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)X染色體印跡和劑量補(bǔ)償作用是呈染色體位置依賴性和時(shí)間依賴性的。Xic附近的基因受到的影響是最早的,也是最強(qiáng)烈的。相對于Xic來說,越遠(yuǎn)的基因需要越長的時(shí)間來抑制。因此,XCI不是一個(gè)突然的過程,而是一個(gè)逐步的過程,不能一下子使整個(gè)X染色體同時(shí)沉默。在哺乳動物中我們發(fā)現(xiàn)雄性胚胎的最初發(fā)育要比雌性胚胎快。這可能是由于雌性動物中X連鎖基因過早表達(dá)所致,表明X染色體最初不是劑量補(bǔ)償?shù)?或劑量補(bǔ)償作用是不完全的,同時(shí)表明在早期胚胎中缺少劑量補(bǔ)償作用是有害的。研究發(fā)現(xiàn)由雌性胚胎獲得的胚胎干細(xì)胞只有在部分或全部刪除X染色體才能夠存活。表明劑量補(bǔ)償作用開始于附植前胚胎,影響著一些基因的表達(dá),如Pgk1和Hprt。父源等位基因是選擇性被抑制的,表明印跡調(diào)控早期的劑量補(bǔ)償作用。,劑量補(bǔ)償機(jī)制的不足,關(guān)于哺乳動物劑量補(bǔ)償效應(yīng)的X染色體失活假設(shè)雖然已普遍地為人們所接受，但仍有一些現(xiàn)象人們還不能作出滿意的解釋。例如：巴氏小體并不是在每一個(gè)高度分化的體細(xì)胞中都出現(xiàn)；沒有完全證實(shí)雌性個(gè)體每一個(gè)胚胎細(xì)胞的X染色體之一都早期失活；人類X連鎖基因中，只有少數(shù)在女性雜合體中顯示嵌合性，而Xg基因和類固醇硫酸酯酶等基因卻并不失活；,既然人類的X染色體失活是隨機(jī)的，為什么畸變的X染色體的失活不是隨機(jī)的等。此外，按照X染色體失活假設(shè)，人的XO和XX女性個(gè)體或XY和XXY男性個(gè)體應(yīng)該具有相同的表型,可是實(shí)際上XX個(gè)體是正常的，而XO個(gè)體則是特納氏綜合征患者；XY個(gè)體是正常的，而XXY則是克氏綜合征患者,這些現(xiàn)象都有待于研究。,一般認(rèn)為劑量補(bǔ)償效應(yīng)僅發(fā)生在性染色體中,但是在常染色體異常的非整倍體或具有某些常染色體片段的個(gè)體中，同樣存在劑量補(bǔ)償效應(yīng)，例如玉米1號染色體長臂上決定乙醇脫氫酶的基因在1號三體性和四體性的個(gè)體中可表現(xiàn)劑量補(bǔ)償效應(yīng)。又如果蠅2號染色體上決定a-磷酸甘油脂脫氫酶的基因也顯示同樣的劑量補(bǔ)償效應(yīng)。這些現(xiàn)象也有待于深入研究。,劑量補(bǔ)償效應(yīng)的應(yīng)用,由于劑量補(bǔ)償效應(yīng)也存在于多于兩個(gè)X染色體的個(gè)體中，所以X染色體失活現(xiàn)象的研究有助于人類性染色體畸變疾病的診斷。根據(jù)劑量補(bǔ)償原則，不論一個(gè)細(xì)胞中有幾個(gè)X染色體，只有一個(gè)不失活，其余的都失活并以巴氏小體形式出現(xiàn)。所以由巴氏小體數(shù)可以預(yù)測X染色體數(shù)。例如在外表是男性的克蘭費(fèi)爾特氏綜合征患者細(xì)胞中可以看到一個(gè)巴氏小體，因此可以預(yù)測患者的核型是47,XXY。在外表是女性的特納氏綜合征患者的細(xì)胞中，看不到巴氏小體，因此可預(yù)測患者的核型