Dosiskompensation der Geschlechtschromosomen - Sex-chromosome dosage compensation

Die Dosiskompensation ist der Prozess, bei dem Organismen die Expression von Genen zwischen Mitgliedern unterschiedlichen biologischen Geschlechts ausgleichen. Artenübergreifend sind unterschiedliche Geschlechter oft durch unterschiedliche Arten und Anzahlen von Geschlechtschromosomen gekennzeichnet . Um den großen Unterschied in der Gendosis zu neutralisieren, der durch die unterschiedliche Anzahl von Geschlechtschromosomen zwischen den Geschlechtern erzeugt wird, haben verschiedene evolutionäre Zweige verschiedene Methoden erworben, um die Genexpression zwischen den Geschlechtern auszugleichen . Da Geschlechtschromosomen eine unterschiedliche Anzahl von Genen enthalten , haben verschiedene Arten von Organismen unterschiedliche Mechanismen entwickelt, um mit dieser Ungleichheit umzugehen. Das eigentliche Gen zu replizieren ist unmöglich; daher gleichen Organismen stattdessen die Expression von jedem Gen aus. Beim Menschen zum Beispiel stellen Frauen (XX) die Transkription eines X-Chromosoms jedes Paares zum Schweigen und transkribieren alle Informationen vom anderen, exprimierten X-Chromosom. Somit haben menschliche Frauen die gleiche Anzahl exprimierter X-gebundener Gene wie menschliche Männer (XY), wobei beide Geschlechter im Wesentlichen ein X-Chromosom pro Zelle aufweisen, von dem Gene transkribiert und exprimiert werden.

Verschiedene Abstammungslinien haben unterschiedliche Mechanismen entwickelt, um mit den Unterschieden in der Genkopienzahl zwischen den Geschlechtern umzugehen, die auf den Geschlechtschromosomen beobachtet werden. Einige Abstammungslinien haben eine Dosiskompensation entwickelt, einen epigenetischen Mechanismus, der die Expression von X- oder Z-spezifischen Genen im heterogametischen Geschlecht auf die gleichen Niveaus wiederherstellt, die beim Vorfahren vor der Evolution des Geschlechtschromosoms beobachtet wurden. Andere Abstammungslinien gleichen die Expression der X- oder Z-spezifischen Gene zwischen den Geschlechtern aus, jedoch nicht auf den angestammten Ebenen, dh sie besitzen eine unvollständige Kompensation mit „Dosierungsbalance“. Ein Beispiel hierfür ist die beim Menschen auftretende X-Inaktivierung. Der dritte dokumentierte Typ des Regulierungsmechanismus der Gendosis ist eine unvollständige Kompensation ohne Gleichgewicht (manchmal als unvollständige oder teilweise Dosiskompensation bezeichnet). In diesem System ist die Genexpression geschlechtsspezifischer Loci beim heterogametischen Geschlecht, dh bei den Weibchen in ZZ/ZW-Systemen und bei den Männchen in XX/XY-Systemen, reduziert.

Es gibt drei Hauptmechanismen zum Erreichen einer Dosiskompensation, die in der Literatur umfassend dokumentiert sind und die den meisten Arten gemeinsam sind. Dazu gehören die zufällige Inaktivierung eines weiblichen X-Chromosoms (wie bei Mus musculus beobachtet ; dies wird als X-Inaktivierung bezeichnet ), eine zweifache Erhöhung der Transkription eines einzelnen männlichen X-Chromosoms (wie bei Drosophila melanogaster beobachtet ) und eine verminderte Transkription um Hälfte in beiden X-Chromosomen eines hermaphroditischen Organismus (wie bei Caenorhabditis elegans beobachtet ). Diese Mechanismen wurden in Modellorganismen, die üblicherweise in der Laborforschung verwendet werden, umfassend untersucht und manipuliert. Eine Zusammenfassung dieser Formen der Dosiskompensation ist unten dargestellt. Es gibt jedoch auch andere, weniger verbreitete Formen der Dosiskompensation, die nicht so umfassend erforscht sind und manchmal nur für eine Art spezifisch sind (wie bei bestimmten Vogel- und Monotremenarten beobachtet ).

Drei Hauptmechanismen der Dosiskompensation, die in gängigen eukaryotischen Modellorganismen beobachtet wurden.

Zufällige Inaktivierung eines ♀ X

Ein logischer Weg, die Genexpression zwischen Männern und Frauen auszugleichen, die einem XX/XY-Geschlechtsdifferenzierungsschema folgen, besteht darin, die Expression eines der X-Chromosomen in einem XX- oder weiblichen homogametischen Individuum zu verringern oder ganz zu eliminieren , sodass sowohl Männer als auch Frauen exprimieren dann nur ein X-Chromosom. Dies ist bei vielen Säugetierorganismen der Fall, einschließlich Menschen und Mäusen.

Die Beweise für diesen Mechanismus der Dosiskompensation wurden entdeckt, bevor die Wissenschaftler ihre Auswirkungen verstanden. Im Jahr 1949 veröffentlichten Murray Barr und Ewert Bertram Daten, die das Vorhandensein von „nukleolären Satelliten beschreiben, die sie im reifen Körpergewebe verschiedener weiblicher Arten beobachteten. Eine weitere Charakterisierung dieser Satelliten ergab, dass es sich tatsächlich um Pakete aus kondensiertem Heterochromatin handelte , aber es sollte ein Jahrzehnt vergehen, bis die Wissenschaftler die Bedeutung dieser spezialisierten DNA verstanden.

Dann, im Jahr 1959, bewies Susumu Ohno , dass diese satellitenähnlichen Strukturen, die ausschließlich in weiblichen Zellen vorkommen, tatsächlich von weiblichen X-Chromosomen abgeleitet sind. Er nannte diese Strukturen Barr-Körper nach einem der Ermittler, die ursprünglich ihre Existenz dokumentierten. Ohnos Studien zu Barr-Körpern bei weiblichen Säugetieren mit mehreren X-Chromosomen zeigten, dass solche Weibchen Barr-Körper verwendet haben, um alle bis auf eines ihrer X-Chromosomen zu inaktivieren. So beschrieb Ohno die „n-1“-Regel, um die Anzahl der Barr-Körper bei einer Frau mit n X-Chromosomen in ihrem Karyotyp vorherzusagen.

Gleichzeitig begann Mary F. Lyon , Manipulationen von X-chromosomalen Merkmalen zu untersuchen, die phänotypisch sichtbare Folgen hatten, insbesondere bei Mäusen, deren Fellfarbe eng mit dem X-Chromosom verbunden ist. Aufbauend auf der Arbeit von Ohno und seinen Kollegen bewies Lyon schließlich, dass entweder das mütterliche oder das väterliche X-Chromosom in jeder Zelle des weiblichen Körpers der untersuchten Spezies zufällig inaktiviert ist, was die heterogenen Fellmuster erklärt, die sie bei ihren Mosaikmäusen beobachtete . Dieser Prozess ist als X-Inaktivierung bekannt und wird manchmal als „Lyonisierung“ bezeichnet. Diese Entdeckung kann leicht extrapoliert werden, um die gemischten Farbmuster zu erklären, die in den Mänteln von Schildpattkatzen beobachtet werden . Die für Schildpattkatzen charakteristischen Fellmuster finden sich fast ausschließlich bei Weibchen, denn nur sie inaktivieren zufällig ein X-Chromosom in jeder somatischen Haarzelle. Unter der Annahme, dass die haarfarbenbestimmenden Gene X-chromosomal sind, ist es sinnvoll, dass eine unterschiedliche Expression der Fellfarbe unabhängig davon, ob das mütterliche oder väterliche X-Chromosom in einer bestimmten Haarzelle inaktiviert ist, zur Folge haben kann.

Basierend auf Lyons Entdeckungen verwendete Ernest Beutler 1962 in Kultur gezüchtete weibliche Fibroblasten- Zelllinien, um die Vererbbarkeit der Lyonisierung oder zufälligen X-Inaktivierung zu demonstrieren. Durch die Analyse der differentiellen Expression zweier existierender, lebensfähiger Allele für das X-chromosomale Enzym Glukose-6-Phosphat-Dehydrogenase (G6PD)-Gen beobachtete Beutler, dass die Inaktivierung des Gens über passagierte Generationen der Zellen vererbbar war.

Dieses Muster der Dosiskompensation, das durch zufällige X-Inaktivierung verursacht wird, wird bei weiblichen Säugetieren über die Entwicklung hinweg reguliert und folgt während der gesamten Entwicklung konzertierten Mustern; Zum Beispiel werden zu Beginn der meisten weiblichen Säugetierentwicklung zunächst beide X-Chromosomen exprimiert, durchlaufen jedoch nach und nach epigenetische Prozesse, um schließlich eine zufällige Inaktivierung eines X zu erreichen. In Keimzellen werden dann inaktivierte X-Chromosomen erneut aktiviert, um ihre Expression in sicherzustellen Gameten, die von weiblichen Säugetieren produziert werden.

So wird die Dosiskompensation bei Säugern weitgehend durch die Stummschaltung eines von zwei weiblichen X-Chromosomen durch X-Inaktivierung erreicht. Dieser Prozess beinhaltet Modifikationen des Histonschwanzes , DNA- Methylierungsmuster und die Reorganisation der großflächigen Chromatinstruktur , die vom X-ist-Gen kodiert wird. Trotz dieser umfangreichen Modifikationen unterliegen nicht alle Gene entlang des X-Chromosoms einer X-Inaktivierung; eine aktive Expression an einigen Loci ist für die homologe Rekombination mit der pseudo-autosomalen Region ( PAR ) des Y-Chromosoms während der Meiose erforderlich . Darüber hinaus zeigen 10-25% der menschlichen X-Chromosom-Gene und 3-7% der Maus-X-Chromosom-Gene außerhalb der PARs eine schwache Expression vom inaktiven X-Chromosom.

Zweifach erhöhte Transkription eines einzelnen ♂ X

Ein weiterer gemeinsamer Mechanismus, um eine gleiche X-bezogene genetische Expression zwischen Männern und Frauen zu erreichen, beinhaltet eine zweifach erhöhte Transkription eines einzelnen männlichen X-Chromosoms. Somit können heterogametische männliche Organismen mit einem X-Chromosom dem Expressionsniveau entsprechen, das bei homogametischen Weibchen mit zwei aktiven X-Chromosomen erreicht wird. Dieser Mechanismus wird bei Drosophila beobachtet .

Das Konzept der Dosiskompensation entstand eigentlich aus einem Verständnis von Organismen, in denen Männer X-chromosomale Gene zweifach hochregulierten, und wurde viel später erweitert, um die Beobachtung der einst mysteriösen Barr-Körper zu erklären. Bereits 1932 führte HJ Muller eine Reihe von Experimenten durch, mit denen er die Expression der Augenfarbe bei Fliegen, einem X-chromosomalen Gen, verfolgen konnte. Muller führte ein mutiertes Gen ein, das bei Fliegenaugen einen Pigmentverlust verursachte, und stellte anschließend fest, dass Männchen mit nur einer Kopie des mutierten Gens eine ähnliche Pigmentierung aufwiesen wie Weibchen mit zwei Kopien des mutierten Gens. Dies führte dazu, dass Muller den Begriff „Dosiskompensation“ prägte, um das beobachtete Phänomen des Genexpressionsausgleichs zu beschreiben.

Trotz dieser Fortschritte konnten Wissenschaftler erst 1965 bestätigen, dass Ardhendu Mukherjee und W. Beermann fortgeschrittene Autoradiographie- Experimente durchführten, dass die Transkription von Genen auf dem einzelnen männlichen X-Chromosom doppelt so hoch war wie auf den beiden weiblichen X-Chromosomen. Mukherjee und Beermann bestätigten dies, indem sie ein zelluläres Autoradiographie-Experiment entwickelten, das es ihnen ermöglichte, den Einbau von [3H]Uridin in die Ribonukleinsäure der X-Chromosomen zu visualisieren. Ihre Studien zeigten gleiche Mengen an [3H]Uridin-Einbau in das einzelne männliche X-Chromosom und die beiden weiblichen X-Chromosomen. Daher kamen die Forscher zu dem Schluss, dass die zweifache Zunahme der RNA-Syntheserate im X-Chromosom des Mannes im Vergleich zu der des Weibchens für Mullers hypothetische Dosiskompensation verantwortlich sein könnte.

Im Fall einer zweifach erhöhten Transkription eines einzelnen männlichen X-Chromosoms gibt es keine Verwendung für einen Barr-Körper, und der männliche Organismus muss unterschiedliche genetische Maschinen verwenden, um die Transkriptionsleistung seines einzelnen X-Chromosoms zu erhöhen. Es ist bei solchen Organismen üblich, dass das Y-Chromosom für die männliche Fruchtbarkeit notwendig ist , aber keine explizite Rolle bei der Geschlechtsbestimmung spielt . Bei Drosophila zum Beispiel wirkt das Gen für den Geschlechtsverkehr (SXL) als Schlüsselregulator der sexuellen Differenzierung und Reifung im Körpergewebe ; bei XX-Tieren wird SXL aktiviert, um eine erhöhte Transkription zu unterdrücken, während bei XY-Tieren SXL inaktiv ist und die männliche Entwicklung über eine erhöhte Transkription des einzelnen X ermöglicht. Auf dem Drosophila- X-Chromosom existieren mehrere Bindungsstellen für den Dosiskompensationskomplex (DCC) , ein Ribonukleoproteinkomplex; diese Bindungsstellen haben unterschiedliche Affinitätsniveaus, vermutlich für unterschiedliche Expression spezifischer Gene. Der Male Specific Lethal Complex, bestehend aus Protein und RNA, bindet und modifiziert selektiv Hunderte von X-chromosomalen Genen, wodurch ihre Transkription auf ein Niveau erhöht wird, das mit dem von weiblichen D. melanogaster vergleichbar ist .

Bei Organismen, die diese Methode der Dosiskompensation verwenden, muss das Vorhandensein eines oder mehrerer X-Chromosomen frühzeitig in der Entwicklung erkannt werden, da das Versäumnis, die geeigneten Dosiskompensationsmechanismen zu initiieren, tödlich ist. Männliche spezifische letale Proteine ​​(MSLs) sind eine Familie von vier Proteinen, die ausschließlich bei Männern an das X-Chromosom binden. Der Name „MSL“ wird verwendet, weil Mutationen in diesen Genen dazu führen, dass X-chromosomale Gene nicht effektiv hochreguliert werden können und daher nur für Männer und nicht für ihre weiblichen Gegenstücke tödlich sind. SXL reguliert die Prä-Messenger-RNA bei Männern, um MSLs unterschiedlich zu spleißen und führt zu einer angemessenen Erhöhung der X-Chromosom-Transkription, die bei männlichen Drosophila beobachtet wird . Das unmittelbare Ziel von SXL ist das männliche spezifische Letal-2 (MSL-2). Aktuelle Dogmen legen nahe, dass die Bindung von MSL-2 an mehreren Stellen entlang des SXL-Gens bei Frauen die richtige MSL-2-Translation verhindert und somit, wie bereits erwähnt, die Möglichkeit einer X-chromosomalen genetischen Hochregulation bei Frauen unterdrückt. Alle anderen Transkriptionsfaktoren in der MSL-Familie – maleless, MSL-1 und MSL-3 – können jedoch wirken, wenn SXL nicht exprimiert wird, wie dies bei Männern der Fall ist. Diese Faktoren wirken, um die Transkriptionsaktivität des männlichen X-Chromosoms zu erhöhen. Die Histonacetylierung und die daraus folgende Hochregulierung von X-chromosomalen Genen bei Männern wird durch den MSL-Komplex bestimmt. Spezielle roX-nicht-kodierende RNAs auf den MSL-Komplexen erleichtern die Bindung an das einzelne männliche X-Chromosom und diktieren die Acetylierung spezifischer Loci entlang des X-Chromosoms sowie die Bildung von Euchromatin. Obwohl diese RNAs an bestimmten Stellen entlang des männlichen X-Chromosoms binden, breiten sich ihre Wirkungen über die Länge des Chromosoms aus und haben die Fähigkeit, groß angelegte Chromatinmodifikationen zu beeinflussen. Es wird angenommen, dass die Auswirkungen dieser sich ausbreitenden epigenetischen Regulation entlang des männlichen X-Chromosoms Auswirkungen auf das Verständnis der Übertragung epigenetischer Aktivität entlang langer genomischer Abschnitte haben.

Verminderte Transkription beider hermaphroditischer Xs um die Hälfte

Andere Arten, die nicht den zuvor diskutierten Konventionen von XX-Weibchen und XY-Männchen folgen, müssen alternative Wege finden, um die X-chromosomale Genexpression bei unterschiedlichen Geschlechtern auszugleichen. Zum Beispiel wird bei Caenorhabditis elegans (oder C. elegans ) das Geschlecht durch das Verhältnis von X-Chromosomen relativ zu Autosomen bestimmt; Würmer mit zwei X-Chromosomen (XX-Würmer) entwickeln sich als Hermaphroditen , während sich solche mit nur einem X-Chromosom (XO-Würmer) als Männchen entwickeln. Dieses System der Geschlechtsbestimmung ist einzigartig, da es kein männliches spezifisches Chromosom gibt, wie es bei den XX/XY-Geschlechtsbestimmungssystemen der Fall ist. Jedoch kann, wie bei den zuvor diskutierten Mechanismen der Dosiskompensation, das Versäumnis, X-chromosomale Gene angemessen zu exprimieren, immer noch tödlich sein.

In diesem XX/XO-Geschlechtsbestimmungssystem wird die Genexpression auf dem X-Chromosom ausgeglichen, indem die Expression von Genen auf beiden X-Chromosomen von hermaphroditischen XX-Organismen um die Hälfte herunterreguliert wird. In diesen XX-Organismen ist der Dosiskompensationskomplex (DCC) auf beiden X-Chromosomen aufgebaut, um diese streng regulierte Änderung der Transkriptionsniveaus zu ermöglichen. Das DCC wird oft mit dem Kondensinkomplex verglichen, der über die mitotischen und meiotischen Prozesse vieler Arten hinweg konserviert ist. Dieser Komplex ist entscheidend für die Kondensation und Segregation von Chromosomen sowohl während der Meiose als auch der Mitose. Da die Daten die Theorie untermauern, dass die Dosiskompensation bei anderen Spezies durch chromatinweite Modifikationen verursacht wird, gehen viele davon aus, dass insbesondere das DCC in seiner Fähigkeit, das Chromatin des X-Chromosoms zu kondensieren oder umzugestalten, ähnlich wie der Kondensinkomplex funktioniert.

Die Rolle des DCC in dieser Form der Dosiskompensation wurde von Barbara J. Meyer in den 1980er Jahren postuliert und seine einzelnen Komponenten und ihre kooperative Funktion wurden später von ihrem Labor analysiert. Insbesondere zeigten 1999 Daten aus Meyers Labor, dass SDC-2 ein besonders wichtiger Transkriptionsfaktor ist, um das DCC auf das X-Chromosom zu lenken und DCC-Komponenten auf den X-Chromosomen in XX-Embryonen aufzubauen. Vor kurzem hat Meyers Labor gezeigt, dass Proteine, die als X-chromosomale Signalelemente (XSEs) bekannt sind, zusammen mit SDC-2 zusammenarbeiten, um andere Gene im Dosiskompensationsweg unterschiedlich zu unterdrücken und zu aktivieren. Durch die selektive Mutation einer Reihe von Genen, von denen angenommen wird, dass sie zur Dosiskompensation bei Würmern beitragen, zeigte Meyers Gruppe, welche XSEs spezifisch eine Rolle bei der Bestimmung der normalen Dosiskompensation spielen. Sie fanden heraus, dass während der Embryonalentwicklung mehrere X-chromosomale Gene – darunter sex-1, sex-2, fox-1 und ceh-39 – kombinatorisch wirken, um selektiv die Transkriptionsaktivität des xol-1-Gens in Hermaphroditen zu unterdrücken. Die Xol-1-Expression wird während der frühen Entwicklung streng reguliert und gilt als das am weitesten vorgelagerte Gen bei der Geschlechtsbestimmung von C. elegans. Tatsächlich wird xol-1 in der Literatur oft als das Hauptgen der Geschlechtsregulation von C. elegans bezeichnet. XX C. elegans-Embryonen haben eine viel niedrigere xol-1-Expression als ihre XO-Gegenstücke, was aus einer Gesamterhöhung der Menge der in den weiblichen Embryonen produzierten SEX-1-, SEX-2-, CEH-39- und FOX-1-Transkription resultiert. Diese daraus resultierende Abnahme der xol-1-Expression ermöglicht dann höhere SDC-2-Expressionsniveaus, was die Bildung und Funktion des DCC-Komplexes in den XX-hermaphroditischen Würmern unterstützt und wiederum zu einer ausgeglichenen Expression von X-gebundenen Genen in den Hermaphroditen führt.

Obwohl alle der oben erwähnten XSEs dahingehend wirken, die xol-1-Expression zu reduzieren, hat sich gezeigt, dass die experimentelle Verringerung der Expressionsniveaus dieser einzelnen XSEs eine minimale Wirkung auf die Geschlechtsbestimmung und eine erfolgreiche Dosiskompensation hat. Dies könnte zum Teil daran liegen, dass diese Gene für verschiedene Proteine ​​kodieren, die eher kooperativ als isoliert agieren; SEX-1 ist beispielsweise ein nuklearer Hormonrezeptor, während FOX-1 ein RNA-bindendes Protein mit Eigenschaften ist, die in der Lage sind, posttranskriptionelle Modifikationen im Xol-1-Ziel zu induzieren. Allerdings scheint die Reduzierung des Niveaus von mehr als einem XSE in verschiedenen kombinatorischen Permutationen einen zusätzlichen Effekt auf die Sicherstellung einer korrekten Geschlechtsbestimmung und der resultierenden Dosiskompensationsmechanik zu haben. Dies unterstützt die Hypothese, dass diese XSEs zusammenwirken, um das gewünschte Schicksal der Geschlechtsbestimmung und des Dosisausgleichs zu erreichen. Somit korreliert in diesem Modellorganismus das erreichte Niveau der X-Chromosom-Expression direkt mit der Aktivierung mehrerer XSEs, die letztendlich dazu dienen, die Xol-1-Expression in einem sich entwickelnden Wurmembryo zu unterdrücken. Eine Zusammenfassung dieses C. elegans- Mechanismus der Dosiskompensation ist unten dargestellt.

Dosiskompensation in C. elegans.png

Andere artspezifische Methoden

Das ZZ/ZW-Geschlechtssystem wird von den meisten Vögeln sowie einigen Reptilien und Insekten verwendet. In diesem System ist das Z das größere Chromosom, daher müssen die Männchen (ZZ) etwas genetisches Material zum Schweigen bringen, um das kleinere W-Chromosom der Weibchen (ZW) zu kompensieren. Anstatt wie beim Menschen das gesamte Chromosom zum Schweigen zu bringen, scheinen männliche Hühner (der Modell-ZZ-Organismus) ein selektives Z-Silencing zu betreiben, bei dem sie nur bestimmte Gene auf dem zusätzlichen Z-Chromosom zum Schweigen bringen. Somit exprimieren männliche Hühner durchschnittlich 1,4-1,6 der Z-Chromosom-DNA, die von weiblichen Hühnern exprimiert wird. Die Z-Chromosom-Expression von männlichen Zebrafinken und Hühnern ist höher als die autosomalen Expressionsraten, während die X-Chromosom-Expression bei weiblichen Menschen gleich der autosomalen Expressionsrate ist, was deutlich zeigt, dass sowohl männliche Hühner als auch männliche Zebrafinken unvollständiges Silencing praktizieren. Nur wenige andere ZZ/ZW-Systeme wurden so gründlich analysiert wie das Huhn; Eine kürzlich durchgeführte Studie an Seidenraupen ergab jedoch ähnliche Niveaus der ungleichen Kompensation auf den männlichen Z-Chromosomen. Z-spezifische Gene wurden bei Männern im Vergleich zu Frauen überexprimiert, und einige wenige Gene hatten die gleiche Expression sowohl auf männlichen als auch auf weiblichen Z-Chromosomen.

Bei Hühnern befinden sich die meisten dosiskompensierten Gene auf dem Zp- oder kurzen Arm des Chromosoms, während sich die nicht kompensierten Gene auf dem Zq- oder langen Arm des Chromosoms befinden. Die kompensierten (stummgeschalteten) Gene auf Zp ähneln einer Region auf dem primitiven Schnabeltier-Geschlechtschromosom, was auf einen Vorfahren des XX/XY-Systems hindeutet.

Vögel

Die Geschlechtschromosomen von Vögeln haben sich getrennt von denen von Säugetieren entwickelt und haben nur sehr wenig Sequenzhomologie mit den XY-Chromosomen. Daher bezeichnen Wissenschaftler die Geschlechtschromosomen von Vögeln als ein ZW-Geschlechtsbestimmendes System, wobei Männchen zwei Z-Chromosomen und Weibchen ein Z-Chromosom und ein W besitzen. Somit könnte angenommen werden, dass die Dosiskompensation bei Vögeln einem ähnlichen Muster folgt wie bei den meisten Säugetieren beobachtete zufällige X-Inaktivierung. Alternativ können Vögel eine verminderte Transkription der beiden Z-Chromosomen des männlichen heterogametischen Geschlechts aufweisen, ähnlich dem System, das bei den beiden hermaphroditischen X-Chromosomen von C. elegans beobachtet wird . Allerdings unterscheiden sich Vogel-Mechanismen der Dosiskompensation signifikant von diesen Präzedenzfällen. Stattdessen scheinen männliche Vögel nur einige wenige Gene entlang eines ihrer Z-Chromosomen selektiv zum Schweigen zu bringen, anstatt zufällig ein ganzes Z-Chromosom zum Schweigen zu bringen. Diese Art der selektiven Stummschaltung hat dazu geführt, dass manche Menschen Vögel als „weniger wirksam“ bei der Dosiskompensation bezeichnen als Säugetiere. Neuere Studien haben jedoch gezeigt, dass diejenigen Gene auf dem Z-Chromosom, die bei Vögeln nicht inaktiviert sind, eine wichtige Rolle bei der Rekrutierung einer Dosiskompensationsmaschinerie für das Z-Chromosom in ZZ-Organismen spielen können. Insbesondere wurde gezeigt, dass eines dieser Gene, ScII, ein Ortholog von xol-1 ist, dem Hauptgen der Geschlechtsregulation in C. elegans. Somit kann die Funktion des selektiven Silencings darin bestehen, die Dosiskompensation von Genen zu ersparen, die für die Geschlechtsbestimmung der homologen Paarung entscheidend sind.

Während die epigenetischen Mechanismen hinter der Dosiskompensation bei Vögeln wenig verstanden sind, insbesondere im Vergleich zu den gut untersuchten Mechanismen der Dosiskompensation bei Menschen und Drosophila , haben mehrere neuere Studien vielversprechende Sequenzen ergeben. Ein Beispiel ist MHM (male hypermethylated) RNA, eine Xist-ähnliche lange nicht-kodierende RNA, die nur in weiblichen Hühnern (ZW) exprimiert wird. Es ist mit einer frauenspezifischen Hyperacetylierung von Lysin 16 auf Histon 4 in der Nähe des MHM-Locus auf dem Z-Chromosom verbunden. Dieser MHM-Locus wird als Ort der Dosiskompensation intensiv untersucht, da männliche Z-Chromosomen hypermethyliert sind und daher Gene in diesem Bereich im Vergleich zu weiblichen Z-Chromosomen, die hyperacetyliert sind und diese Gene überexprimieren, unterexprimieren. Es wurde jedoch darüber diskutiert, ob der MHM-Locus eine Dosiskompensation darstellt, da Wissenschaftler behaupten, dass selbst wenn festgestellt wurde, dass der MHM- Locus bei Frauen eine signifikant stärkere Expression aufweist als bei Männern, er nicht einmal als ein Dosiskompensationsmechanismus angesehen werden könnte da es die Gendosis zwischen dem Z-Chromosom und den Autosomen im heterogametischen Geschlecht nicht ausgleicht .

Ähnlich wie Säugetiere scheinen Hühner CpG-Inseln (Segmente von Cytosin-Phosphat-Guanin, die leichter methyliert und stummgeschaltet werden als andere DNA-Segmente) zu verwenden, um die Genexpression zu regulieren. Eine Studie ergab, dass CpG-Inseln hauptsächlich in kompensierten Bereichen des Z-Chromosoms gefunden wurden – Bereichen, die bei männlichen und weiblichen Hühnern unterschiedlich exprimiert werden. Daher ist es wahrscheinlich, dass diese CpG-Inseln Orte sind, an denen Gene auf dem männlichen Z-Chromosom methyliert und zum Schweigen gebracht werden, die aber auf dem weiblichen Z-Chromosom funktionsfähig bleiben.

Monotreme

Schnabeltier, eine Art von Monotreme

Monotremen sind eine Klasse von basalen Säugetieren, die auch Eier legen. Sie sind eine Ordnung von Säugetieren, die Schnabeltiere und vier Arten von Echidna umfasst, die alle eierlegende Säugetiere sind. Während Monotreme ein XX/XY-System verwenden, haben Monotreme im Gegensatz zu anderen Säugetieren mehr als zwei Geschlechtschromosomen. Der männliche Kurzschnabeligel zum Beispiel hat neun Geschlechtschromosomen – 5 X und 4 Y, und das männliche Schnabeltier hat 5 X und 5 Y.

Schnabeltiere sind eine monotreme Spezies, deren Mechanismus der Geschlechtsbestimmung umfassend untersucht wurde. In der Wissenschaft gibt es einige Meinungsverschiedenheiten über den evolutionären Ursprung und die richtige Taxonomie von Schnabeltieren. Eine kürzlich durchgeführte Studie ergab, dass vier Schnabeltier-X-Chromosomen sowie ein Y-Chromosom zu einigen Regionen auf dem Z-Chromosom von Vögeln homolog sind. Insbesondere teilt Schnabeltier X1 eine Homologie mit dem Z-Chromosom des Huhns, und beide teilen eine Homologie mit dem menschlichen Chromosom 9. Diese Homologie ist wichtig, wenn man den Mechanismus der Dosiskompensation bei Monotremen betrachtet. In 50% der weiblichen Schnabeltierzellen wird nur eines der Allele auf diesen X-Chromosomen exprimiert, während in den restlichen 50% mehrere Allele exprimiert werden. Dies, kombiniert mit den Anteilen, die homolog zu Huhn Z- und menschlichen 9-Chromosomen sind, deutet darauf hin, dass dieser Grad an unvollständigem Silencing die angestammte Form der Dosiskompensation sein könnte.

Ungeachtet ihrer mehrdeutigen Evolutionsgeschichte wurde empirisch festgestellt, dass Schnabeltiere einem XY-Geschlechtsbestimmungssystem folgen , wobei Weibchen fünf Paare von X-Chromosomen als homogametisches Geschlecht und Männchen fünf X- und fünf Y-Chromosomen als heterogametisches Geschlecht besitzen. Da das gesamte Genom des Schnabeltiers noch vollständig sequenziert werden muss (einschließlich eines der X-Chromosomen), wird der endgültige Mechanismus der Dosiskompensation, dem Schnabeltiere folgen, noch weiter untersucht. Forschungen aus dem Labor von Jennifer Graves verwendeten qPCR- und SNP-Analysen von BACs, die verschiedene Gene von X-Chromosomen enthielten, um herauszufinden, ob mehrere Allele für bestimmte X-chromosomale Gene gleichzeitig exprimiert oder anderweitig dosiskompensiert wurden. Ihre Gruppe fand heraus, dass bei weiblichen Schnabeltieren einige X-chromosomale Gene nur ein Allel von einem X-Chromosom exprimierten, während andere Gene mehrere Allele exprimierten. Dies scheint ein System zu sein, das der bei Vögeln beobachteten selektiven Silencing-Methode der Dosiskompensation ähnelt. Etwa die Hälfte aller X-gebundenen Gene schien jedoch auch nur eine aktive Kopie dieses Gens stochastisch zu exprimieren, was auf das beim Menschen beobachtete System der zufälligen X-Inaktivierung anspielt. Diese Ergebnisse legen nahe, dass Schnabeltiere eine hybride Form der Dosiskompensation verwenden können, die Merkmale von Säugetieren sowie Vögeln kombiniert. Das Verständnis der Evolution eines solchen Systems kann Auswirkungen auf die Festigung der wahren Ahnenlinie der Monotreme haben.

Pflanzen

Neben Menschen und Fliegen nutzen auch einige Pflanzen die XX/XY-Dosierungskompensationssysteme. Silene latifolia- Pflanzen sind auch entweder männlich (XY) oder weiblich (XX), wobei das Y-Chromosom kleiner ist und weniger Gene exprimiert werden als das X-Chromosom. Zwei separate Studien haben gezeigt, dass die männliche S. latifolia- Expression von X-chromosomalen Genen etwa 70 % der Expression bei Frauen beträgt. Wenn S. latifolia keine Dosiskompensation praktizierte, würde das erwartete Niveau der X-chromosomalen Genexpression bei Männern 50 % desjenigen bei Frauen betragen, daher praktiziert die Pflanze ein gewisses Maß an Dosiskompensation, aber da die männliche Expression nicht 100 % der von Weibchen wurde vermutet, dass sich S. latiforia und sein Dosiskompensationssystem noch in der Entwicklung befinden. Darüber hinaus kann bei Pflanzenarten, denen dimorphe Geschlechtschromosomen fehlen, eine Dosiskompensation erfolgen, wenn abweichende meiotische Ereignisse oder Mutationen entweder zu Aneuploidie oder Polyploidie führen . Gene auf dem betroffenen Chromosom können hoch- oder herunterreguliert werden, um die Veränderung der normalen Anzahl vorhandener Chromosomen auszugleichen.

Reptilien

Untersuchungen zur Dosiskompensation wurden an sechs Arten von Toxikoferan-Reptilien und an einer Art von Weichschildkröten durchgeführt. Zwei Arten von Caenophidian-Schlangen (eine gehört zur Familie Viperidae und die andere zur Familie Colubridae) wurden untersucht und beide weisen weibliche heterogametische Geschlechtsbestimmungssysteme (ZZ\ZW) auf und haben eine unvollständige Kompensation ohne Gleichgewicht. Der Komodowaran weist in seinem unabhängig entwickelten ZZ/ZW-System eine unvollständige Kompensation ohne Dosisausgleich auf. Im XX/XY-System von Basiliscus vittatus und multiplen Neo-Geschlechtschromosomen mit männlicher Heterogametie beim Pygopodid Gecko Lialis burtonis wurde auch eine unvollständige Kompensation ohne Dosisausgleich beobachtet. Das Grüne Anole ( Anolis carolinensis ; Dactyloidea) hat eine XX/XY-Geschlechtsbestimmung und im Gegensatz zu den anderen bisher untersuchten Squamaten eine vollständige Dosiskompensation mit Dosisausgleich. Bei der Florida-Weichschildkröte ( Apalone ferox) mit ZZ/ZW-Geschlechtschromosomen wurde auch die fehlende Dosierungsbalance bei der Expression von Z-gebundenen Genen festgestellt.

Inaktivierung des X-Chromosoms und embryonale Stammzellen

XCI wird sehr früh während der weiblichen Embryonalentwicklung oder bei der Differenzierung weiblicher embryonaler Stammzellen (ES) eingeleitet und führt zur Inaktivierung eines X-Chromosoms in jeder weiblichen Körperzelle. Dieser Prozess wird sehr früh während der Entwicklung, etwa im Zwei- bis Achtzellstadium, eingeleitet und wird in den sich entwickelnden extraembryonalen Geweben des Embryos, einschließlich der fetalen Plazenta, aufrechterhalten. Xist-RNA induziert die Heterochromatinisierung des X-Chromosoms, indem sie Chromatin-Modifikatoren anzieht, die an der Gen-Stummschaltung beteiligt sind. Xist-RNA ist eng mit Xi verbunden und ist für die X-Chromosomen-Inaktivierung in cis erforderlich. Knockout-Studien an weiblichen ES-Zellen und Mäusen haben gezeigt, dass X-Chromosomen, die eine Deletion des Xist-Gens tragen, das mutierte X nicht inaktivieren können. Die meisten menschlichen weiblichen ES-Zelllinien weisen ein inaktiviertes X-Chromosom bereits im undifferenzierten Zustand auf, der durch die XIST-Expression gekennzeichnet ist , XIST-Beschichtung und akkumulierte Marker von Heterochromatin auf dem Xi.

Es wird allgemein angenommen, dass menschliche Embryonen vor der Implantation kein XCI verwenden. Weibliche Embryonen haben eine Ansammlung von Xist-RNA auf einem der beiden X-Chromosomen, beginnend im 8-Zell-Stadium. Xist-RNA akkumuliert im Morula- und Blastozystenstadium und wird mit der transkriptionellen Stilllegung der Xist-beschichteten chromosomalen Region in Verbindung gebracht, was auf eine Dosiskompensation hindeutet. In letzter Zeit wurde jedoch immer deutlicher, dass XCI des väterlichen X-Chromosoms bereits ab dem 4-Zell-Stadium in allen Zellen von Präimplantations-Mausembryonen vorhanden ist, nicht in den 8-Zell-Stadien.

Xist, Xite und Tsix und ihre Rollen bei der X-Inaktivierung

Xite und Xist sind beides lange, nicht-kodierende RNAs, die den Prozess der X-Inaktivierung regulieren und erleichtern und wichtig für die Stilllegung von Genen innerhalb des X-Chromosoms sind, das inaktiviert wird. Diese arbeiten in Kombination mit Tsix, einer nicht-kodierenden RNA, die ein Antisense ist, das die Auswirkungen von Xist auf das X-Chromosom, in dem es auf dem mütterlichen X-Chromosom exprimiert wird, beim Start der X-Inaktivierung herunterreguliert. Diese drei RNAs regulieren das XX-Paar in einer cis- Orientierung, um beide Chromosomen für hemmende Wirkungen zur Verfügung zu haben. Tsix und Xite haben neben der X-Inaktivierung grundlegende lncRNAs-Funktionen und regulieren das XX-Paar in der trans- Orientierung. Dies gewährleistet eine exklusive Stummschaltung für beide X-Chromosomen. Xite und Tsix sind beide essentiell innerhalb der Orientierungsrichtungsprozesse in cis und trans, da es ohne Tsix und Xite in trans die Paarung und das Zählen von Genen stört.

Sobald Xist ausgeschaltet ist und den Prozess nicht mehr reguliert, nimmt auch die Expression von Tsix langsam ab, bis beide RNAs nicht mehr von Xic verändert werden. Xite ist der Locus, der intergene Transkriptionsstartstellen von hypersensitiven Stellen allelischer Kreuzungen/Unterschiede beherbergt. Wenn die X-Inaktivierung beginnt, erhöht sich die Transkription von Xite und signalisiert die Herunterregulierung von Tsix in cis- Orientierung, die sich auf dem stillen X-Chromosom befindet, während gleichzeitig die Tsix-Persistenz auf dem aktiven X-Chromosom gefördert wird. Xite spielt auch eine wichtige Rolle bei der Asymmetrie der Tsix-Expression und erzeugt eine Ungleichheit der X-Chromosomen, indem es die Chromosomen bewegt und ausrichtet, damit sie von der korrekten nachfolgenden lncRNA, entweder Tsix oder Xist, beeinflusst werden.

Neo-Geschlechtschromosomen und Dosierungskompensation

Der Monarchfalter Danaus plexippus gehört zur Ordnung der Lepidoptera und hat 30 Chromosomen, von denen eines ein Neo-Geschlechtschromosom ist, das das Ergebnis einer Fusion zwischen einem der Geschlechtschromosomen und einem Autosom ist. Eine Studie mit einer Kombination von Methoden (Hi-C-Assembly, Coverage-Analyse und ChIp-seq) ergab, dass das neo-Z-Segment eine vollständige Dosiskompensation aufweist, die durch eine erhöhte Transkription bei ZW-Weibchen erreicht wird. Interessanterweise weist das Z-Segment der Vorfahren eine ausgewogene Dosierung auf, wobei die Transkriptionsniveaus zwischen beiden Geschlechtern gleich sind, jedoch unter dem erwarteten Niveau der Vorfahren liegen, und dies wird durch eine verminderte Transkription bei ZZ-Männchen erreicht.

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen