第五节 剂量补偿效应

第五节剂量补偿效应一、Barr小体早在1949年Barr等人发现在雌猫的神经细胞间期核中有一个染色很深的染色质小体，而雄猫中没有。后来在大部分正常女性表皮口腔颊膜，羊水等许多组织的间期核中也找到一个特征性的、浓缩的染色质小体，而男性无。由于这种染色质小体与性别及X染色体数目有关，所以称为性染色质体(sex-chromatinbody)，又名巴氏小体(Barrbody)。这是一种浓缩的、惰性的异染色质化的小体。雄性也有一条X染色体，为什么不浓缩？问题的解释来自下列研究。二、剂量补偿效应在果蝇和哺乳动物中，X染色体上的基因在纯合的雌性细胞中有相同的两份，而雄性体细胞中只有一份。可是在雌体与雄体的表型表现上却看不出任何显著的差别。这种现象的遗传机制是由于存在一种剂量补偿效应。所谓剂量补偿效应(dosagecompensationeffect)指的是在XY性别决定机制的生物中，使性连锁基因在两种性别中有相等或近乎相等的有效剂量的遗传效应。也就是说，在雌性和雄性细胞里，由X染色体基因编码产生的酶或其他蛋白质产物在数量上相等或近乎相等。剂量补偿有两种情况，一种是X染色体的转录速率不同。例如果蝇雌性的细胞中两条X染色体都是有活性的，但它们的转录速率低于雄性细胞里的单条X染色体的转录速率，因此，雌性和雄性细胞里X染色体的基因产物在量上是相近的。另一种情况则是雌性细胞中有一条X染色体是失活的，所以无论是雌性还是雄性细胞都只有一条X染色体是有活性的。哺乳类和人类属于这种情况。三、Lyon假说M.F.Lyon提出了阐明哺乳动物剂量补偿效应和形成Barrbody的X染色体失活的假说(Lyonhypothesis)。其主要内容是：(一)正常雌性哺乳动物的体细胞中，两条X染色体中只有一条X染色体在遗传上有活性(activationX,Xa)，另一条在遗传上无活性(inactivationX,Xi)。其结果使X连锁基因得到剂量补偿，保证染色体为XX的雌性和XY的雄性具有相同的有效基因产物。(二)失活是随机的。在同一哺乳动物的体细胞中，有些细胞里父源的X染色体失活；另一些细胞里，母源的X染色体失活。(三)失活发生在胚胎发育的早期，例如人类，在胚胎发育第16天时(合子细胞增殖到5～6千个细胞时)发生失活。某一个细胞的一条X染色体一旦失活，这个细胞的所有后代细胞中的该X染色体均处于失活状态。(四)杂合体雌性在伴性基因的作用上是嵌合体(mosaic)——某些细胞中来自父方的伴性基因表达，某些细胞中来自母方的伴性基因表达，这两类细胞随机地相嵌存在。Lyon假说得到一些有力的证据，例如，玳瑁猫的毛皮上有黑色和黄色斑块的几乎总是雌性杂合体。这是由于黄色毛皮(orange,O基因)是黑色毛皮(black,o基因)的一个显性等位基因，由X染色体所携带。雌性杂合玳瑁猫(基因型XOXo)的X染色体在发育早期细胞中随机失活。XO染色体失活的细胞的有丝分裂后代细胞产生黑色毛皮斑点；Xo染色体失活则呈现黄色毛皮斑点。偶然发现的杂合玳瑁雄猫的染色体组成总是XOXoY，每个体细胞有一个Barr小体。而最有力的支持是来自对各个细胞及其后裔的酶组成或代谢活性的研究。在这类研究中以X连锁的葡萄糖-6-磷酸脱氢酶基因最具典型性。酶活性的测定是当取自GdA／GdB杂合妇女的皮肤细胞原始培养物时，电泳图谱上出现A、B两种条带。后来检测单个细胞的培养物时(克隆培养)，它们或者完全表现为A型条带，或者完全为B型条带。在取自6个杂合妇女(GdAGdB)的54个克隆培养物中，发现有24个产生了A型酶(GdB失活)，30个产生了B型酶(GdA失活)，(图3-7)。人类另一种X连锁的遗传病——自毁容貌综合征(Lesch-Nyhansyndrome)是X染色体上的次黄嘌呤磷酸核糖酰转移酶(HPRT)基因缺陷。从HPRT+／HPRT-的杂合体妇女身上取得的皮肤细胞在体外培养，使每个细胞分裂形成细胞克隆。酶活性的测定发现将近一半的细胞克隆产生HPRT，另一半克隆则没有HPRT。由此也验证了Lyon假说的正确性。此外，细胞学的研究发现Barr小体的数目正好是X染色体数目减1。设X染色体数为n，则Barr小体数目=n-1。XXX女人的体细胞间期核中有两个Barr小体(3-1=2)；XXXX女人中有3个Barr小体(4-1=3)。因此可以类推在XX、XXX和XXXX个体的核内都同样地只存在一条有活性的X染色体，因为Barr小体的浓缩状态就相当于女性细胞一条X染色体的基因的失活。总之，X染色体在哺乳动物中的失活是指在任何二倍体的哺乳动物细胞中，无论存在几条X染色体，都只有一条X染色体保持活性。这个过程使X连锁基因得到剂量补偿，保证染色体为XX的女性和XY的男性具有相同的有效基因产物。X染色体失活是发育过程中独特的调节机制。该机制调节着整个X染色体上基因的表达。在人类X染色体上，涉及到15000万个碱基对和几千个基因，都是细胞的活性所必需的。近年来，人们对X染色体失活的机制和Lyon假说的实质的认识有了新的补充和发展。四、X染色体随机失活的分子机制进入20世纪90年代以来，人们对X染色体失活的本质有了一些新的认识，特别是对人类X染色体失活机制的研究方面取得了令人兴奋的进展。(一)大多数的X连锁基因在胚胎早期发育过程中表现为稳定的转录失活，但并非整条X染色体上的所有基因均失活。在X染色体的短臂远端编码细胞表面蛋白的基因MIC2(由单克隆抗体2E7、F21鉴定出的抗原)、XG(Xg血型)、以及甾固醇硫酸酯酶基因STS是逃避失活的，还有与Y染色体配对的区域内或处于附近的基因，也有短臂近端或长臂上的基因，这些基因既可由Xa也可由Xi表达；其中有定位于Xp21.3—Xp22.1的ZFX基因(与Y染色体上的锌指蛋白基因ZFY同源的序列)，位于Xp11的A1S9T(与小鼠DNA合成突变互补的序列)以及最近在长臂Xq13上发现的RPS4X基因(核糖体S4蛋白)该基因在Y染色体上还有一个同源序列RPS4Y的基因。此外，在失活X染色体上还发现了一个可转录的X1ST基因，该基因可能与X染色体失活机制有关。(二)在失活的X染色体上，表达的基因(逃避失活的基因)与失活基因是穿插排列的。这意味着失活基因转录的关闭不是由它们所在的区域决定的，而是与某些位点有关(图3-8)。(三)在X染色体上存在一个特异性失活位点，即所谓X失活中心(Xinactivationcenter,XIC)。最初的线索是来自X染色体异常的突变小鼠，它们的X染色体不出现失活，同时观察到这些X染色体缺失了一个特定区段。于是把这个长约680kb～1200kb的区段称为X染色体失活中心。小鼠以Xic表示，人以XIC表示。该失活中心可能产生一个失活信号，关闭X染色体上几乎所有基因的转录。Brown等(1991)用分子杂交方法，以Xq11～q12区域的DNA为探针，对一组带有结构畸变的X染色体的杂交细胞系的DNA进行杂交，将XIC较精确地定位在Xq13，继而，他们又在XIC的同一区域内鉴定出了一个新的基因即X染色体失活特异转录子(Xinactivespecifictranscripts,XIST)，与RPS4X相邻。研究表明XIST的表达产物是一种顺式作用的核RNA，而不编码生成蛋白质。而且发现只有在失活的X染色体存在的情况下，才有XIST的转录。有活性的X染色体上不表达。XIST转录物的大小在人类中是17kb，小鼠是15kb，两者间的同源性很低。关于XIST的功能尚不十分清楚。XIST可能是在XIC位点内与其他相关基因共同作用，使X染色体上的大部分基因失活；XIST产物可能作用于XIC，而XIC则产生某种物质与诱导失活的分子相互作用；但也有可能是外源的调节分子作用于XIC，引起失活，然后使失活的X染色体表达XIST基因；即有可能XIST不直接参加失活，仅仅受失活的影响。研究表明，小鼠胚胎在X染色体失活前都发现有XIST基因的转录产物，预示该基因可能对启动X染色体失活起作用。总之，上述这些研究结果改变了人们对莱昂假说的传统观念，把X染色体失活的研究推向了一个新的阶段。随着X染色体上克隆基因的增多和研究的不断深入，也许发现逃避失活的基因还将增加。毫无疑问，作为失活中心的候选基因XIST的发现和克隆，以及X染色体失活中心的定位，为X染色体失活机制的研究提供了新的信息和重要线索，从而在分子水平上对莱昂假说进行了必要的补充和完善。不言而喻，在一个动物的生命周期中，X染色体活性应存在着由失活和重新激活的循环。早期雌性胚胎中两条X染色体都有活性，失活发生在特定的发育阶段。在鼠中，受孕后第4～6天；在人中是胚胎发育至第16天以后其中一条X染色体随机失活。除生殖细胞外，在这个个体随后的整个生命中，每条X染色体在以后的有丝分裂中，保持它的活性或无活性状态。而在雌性生殖细胞中，已失活的X染