剂量补偿效应.ppt

剂量补偿效应及机制,目录,剂量补偿的定义剂量补偿的机制基因组印记与X染色体失活雄性生殖细胞X染色体失活剂量补偿机制的不足剂量补偿效应的应用,剂量补偿效应的定义,所谓剂量补偿效应指的是在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。,一般来讲：,在性染色体决定性别的生物中，雄性和雌性个体的细胞内含有两份同样拷贝的常染色体，而性染色体则含量不同，如XY型性别决定中，雌性含有两份X，而雄性则只有一份X。在哺乳动物包括人在内，常染色体数目增加的个体常常是致死的，而性染色体数目的增加则多只影响个体的正常发育，譬如说带有1，2，3甚至4个拷贝X染色体的人体仍然是可以存活的。这也就是说，在哺乳动物中一定存在一种机制可以补偿X染色体的超量，这种机制叫剂量补偿效应(dosagecompensationeffect)。,剂量补偿的机制,剂量补偿有两种机制，在不同生物中不同：一种是调节X染色体的转录速率；一种是使雌性细胞中的一条X染色体失活。,调节X染色体的转录速率机制：果蝇雌性细胞中的两条X染色体都是有活性的，但它们的转录速率只是雄性细胞里单条X染色体的转录速率的50%，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。果蝇的剂量补偿效应主要是通过Sxl蛋白阻止雌性X染色体的过度转录来调节的。如下图：,在果蝇中通过Sxl基因对剂量补偿的调控,在雌性果蝇中，X:A(Autosome)1的比例所提供的信号和母体基因激活sxl基因，它使msl-2(male-specificlethaleffect，为4个雄性致死效应基因msl-1、msl-2、msl-3、mle中的1个)的RNA不能适当的剪接，结果产生无效的Msl-2蛋白，从而不能使其它的msl基因激活，这样X染色体就以基础水平转录；而在雄性中，X:A0.5，Sxl基因关闭，这时msl-2可不受干扰从而正确剪接，产生有活性的Msl-2蛋白，从而进一步激活其它的msl(maleless)基因，使X染色体高水平转录，这样雄果蝇虽然只有一条X染色体，但表达的量与雌果蝇二条X染色体表达的量相近，达到剂量平衡。由于msl-1、msl-2、msl-3基因位于第二号染色体上，mle位于第三号染色体上，当常染色体套数增加时，msls的产量也随之增加，对X染色体表达的促进作用也更强，因此超雄(1X:3A)X染色体的活性比正常的雄性(1X:2A)更高。,哺乳动物中X染色体的失活示意图,X染色体失活机制：在一个动物的生命周期中，X染色体活性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，如人胚胎发育至第16天以后其中一条X染色体随机失活。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染色体在细胞进入减数分裂前的时刻又将重新被激活，因此，在成熟的卵细胞里的两条X染色体又都是有活性的。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。,巴氏小体,早在1949年MurrayBarr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，而正常男性无。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)，这是一种高度浓缩的、惰性的、X染色体异染色质化的小体。,正常男性(XY)和女性(XX)的细胞核，箭头示女性核中的巴氏小体（它就是失活的X染色体）,Lyon假说,细胞学的研究发现Barr小体的数目正好是X染色体数目减l，XXX女人和XXXY男人的体细胞间期核中有两个Barr小体；XXXX女人中有3个Barr小体。也就是说在所有超过一条X染色体的个体体细胞中只有一条X染色体是有活性的。这一概念是MaryLyon于1961年提出的，因此也称为Lyon假说(Lyonhypothesis)，其主要内容是：,(1)巴氏小体是遗传上失活（或大部分失活）的X染色体。也就是说，在正常雌性哺乳动物的体细胞中，只有一条X染色体在遗传上是有活性的，这样就保证了染色体为XX的雌性和XY的雄性具有相同的有效基因产物。X染色体失活的过程称为莱昂化(lyonization)。,(2)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，则是母源的X染色体失活。巴氏小体的失活是随机的,(3)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5000-6000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。,(4)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。由于X的失活使玳瑁雌猫呈现花斑皮毛(5)在形成生殖细胞时，失活的X染色体重新激活。,Lyon假说得到一些证据的有力支持。在雌性杂合体玳瑁猫中，位于X染色体上的黑色皮毛基因B(black)是橙色(orange)皮毛基因b的一个显性等位基因，由于雌性杂合玳瑁猫(XBXb)的X染色体在发育早期细胞中随机失活，XB染色体失活的细胞的有丝分裂后代细胞产生橙色皮毛斑点，而Xb染色体失活则呈现黑色皮毛斑点。而且玳瑁猫的毛皮上出现这种黑色和橙色斑块的几乎总是雌性杂合体。,Lyon假说的证据,支持莱昂学说的生物化学证据首先来自对葡萄糖-6-磷酸脱氢酶(G-6-PD)杂合性妇女培养的皮肤成纤维细胞中G-6-PD表达的研究。G-6-PD基因位于X染色体上，G-6-PD的活性在男女中是相同的。G-6-PD有A、B两种类型，二者仅相差一个氨基酸，但可通过电泳区分，它们由一对等位基因GdA和GdB所编码。当取自GdAGdB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，而当检测单个细胞的培养物时(克隆培养)，每个克隆只出现一条电泳带，或者完全表现为A型条带，或者完全为B型条带。AB杂合体女性G-6-PD电泳图，示X染色体失活造成的X连锁基因失活,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，但对于X染色体失活的具体机制目前仍知之甚少，近年来，通过遗传分析，有了以下几点认识：(1)通过人类和小鼠的遗传分析表明，失活起始于X染色体长臂的某一位点，然后向染色体的两端扩展。这个起始位点就是所谓的X失活中心(X-inactivationcenter，XIC)。如图：,X染色体失活机制的研究进展,X染色体失活机制,通过对X染色体的缺失和转位所引起的失活破坏实验而定位了这个位点，通过分子杂交证明XIC位于Xq13的位置。在XIC内发现一个叫XIST的基因(X-inactivespecifictranscript)，这个基因仅仅在失活的X染色体上有特异性的表达（即Xi特异转录本），在有活性的X染色体上是不表达的（如下图）。XIST编码一种很大的非翻译的RNA，在人类中XIST转录物的大小是17kb，小鼠是15kb，两者间的同源性很低，这个RNA只局限在细胞核内并特异性地位于失活的X染色体上。,XIST基因在失活的X染色体上表达。标记基因HPRT(次黄嘌呤磷酸核糖基酸转移酶)在有活性的X染色体上表达，而在失活的X染色体上是不表达的,(2)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、XG、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，这些基因既可由有活性的X染色体（Xa）也可由失活的X染色体（Xi）表达。,(3)在失活的X染色体上，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。如右图：,同源染色体上基因表达活性不同的遗传现象称为基因印迹(geneimprinting),也称为亲源性印迹(parentalimprinting)。具有这种现象的基因被称为印迹基因(imprintedgene)。印迹基因有以下特点:性别特异性、组织特异性;配子形成过程中可以擦除和重建;在体细胞的有丝分裂中能稳定地传递给子细胞。基因印迹的意义在于能够有效地防止单性生殖的发生,维持遗传的多样性,但也增加了显性突变的危险性。,基因组印记与X染色体失活,目前,已经发现X染色体印迹和剂量补偿作用是呈染色体位置依赖性和时间依赖性的。Xic附近的基因受到的影响是最早的,也是最强烈的。相对于Xic来说,越远的基因需要越长的时间来抑制。因此,XCI不是一个突然的过程,而是一个逐步的过程,不能一下子使整个X染色体同时沉默。在哺乳动物中我们发现雄性胚胎的最初发育要比雌性胚胎快。这可能是由于雌性动物中X连锁基因过早表达所致,表明X染色体最初不是剂量补偿的,或剂量补偿作用是不完全的,同时表明在早期胚胎中缺少剂量补偿作用是有害的。研究发现由雌性胚胎获得的胚胎干细胞只有在部分或全部删除X染色体才能够存活。表明剂量补偿作用开始于附植前胚胎,影响着一些基因的表达,如Pgk1和Hprt。父源等位基因是选择性被抑制的,表明印迹调控早期的剂量补偿作用。,剂量补偿机制的不足,关于哺乳动物剂量补偿效应的X染色体失活假设虽然已普遍地为人们所接受，但仍有一些现象人们还不能作出满意的解释。例如：巴氏小体并不是在每一个高度分化的体细胞中都出现；没有完全证实雌性个体每一个胚胎细胞的X染色体之一都早期失活；人类X连锁基因中，只有少数在女性杂合体中显示嵌合性，而Xg基因和类固醇硫酸酯酶等基因却并不失活；,既然人类的X染色体失活是随机的，为什么畸变的X染色体的失活不是随机的等。此外，按照X染色体失活假设，人的XO和XX女性个体或XY和XXY男性个体应该具有相同的表型,可是实际上XX个体是正常的，而XO个体则是特纳氏综合征患者；XY个体是正常的，而XXY则是克氏综合征患者,这些现象都有待于研究。,一般认为剂量补偿效应仅发生在性染色体中,但是在常染色体异常的非整倍体或具有某些常染色体片段的个体中，同样存在剂量补偿效应，例如玉米1号染色体长臂上决定乙醇脱氢酶的基因在1号三体性和四体性的个体中可表现剂量补偿效应。又如果蝇2号染色体上决定a-磷酸甘油脂脱氢酶的基因也显示同样的剂量补偿效应。这些现象也有待于深入研究。,剂量补偿效应的应用,由于剂量补偿效应也存在于多于两个X染色体的个体中，所以X染色体失活现象的研究有助于人类性染色体畸变疾病的诊断。根据剂量补偿原则，不论一个细胞中有几个X染色体，只有一个不失活，其余的都失活并以巴氏小体形式出现。所以由巴氏小体数可以预测X染色体数。例如在外表是男性的克兰费尔特氏综合征患者细胞中可以看到一个巴氏小体，因此可以预测患者的核型是47,XXY。在外表是女性的特纳氏综合征患者的细胞中，看不到巴氏小体，因此可预测患者的核型