Почему X-хромосома такая странная? Дорожная аналогия помогла раскрыть загадку
X-хромосома человека кардинально отличается от остальных хромосом, что десятилетиями ставило учёных в тупик. В ходе эволюции млекопитающих она претерпела уникальные изменения.
В отличие от всех других хромосом, у женщин одна из двух X-хромосом инактивируется почти во всех клетках. Она также имеет крайне низкую частоту мутаций, а её гены активны в относительно небольшом количестве тканей организма. Исследование, опубликованное в PLOS Biology, проливает свет на эту загадку, используя дорожную аналогию.
Битва полов
У человека каждая клетка содержит 23 пары хромосом. Только одна пара — половые хромосомы — различается у мужчин и женщин. Биологическая женщина наследует одну X-хромосому от отца и одну от матери. Биологический мужчина наследует X-хромосому от матери и Y-хромосому от отца.
Как и все хромосомы, X-хромосома несёт гены, которые кодируют белки, определяющие признаки организма. Этот процесс происходит через транскрипцию, в которой участвуют специальные белки — факторы транскрипции, выступающие в роли «включателей» генов.
Дорожные пробки
Ключевая проблема X-хромосомы заключается в ограничении «пропускной способности» для экспрессии генов. У мужчин на единственной X-хромосоме факторы транскрипции могут связываться только с одним участком гена. У женщин одна из двух X-хромосом инактивирована, поэтому активна также только одна копия.
Для аналогичных генов на других хромосомах (аутосомах) существуют две копии, которые могут активироваться параллельно, если требуется высокая скорость экспрессии. Например, гены, производящие гемоглобин, могут экспрессироваться с очень высокой скоростью.
X-хромосома похожа на однополосную дорогу, которая пропускает меньше трафика в час пик, чем двухполосная (аутосомы). Это приводит к «генетическим пробкам».
Статистический анализ подтвердил, что пиковые скорости экспрессии генов на X-хромосоме менее чем в два раза ниже, чем у генов на других хромосомах.
- Гены, которые в ходе эволюции переместились с X-хромосомы на аутосомы, имеют более высокие пиковые скорости экспрессии, чем те, которые совершили обратный переход.
- Высокоэкспрессируемые гены на X-хромосоме менее склонны увеличивать свой уровень экспрессии в ходе эволюции.
- Гены, активные во многих тканях, как правило, требуют очень высокой скорости экспрессии. Согласно модели «дорожной пробки», такие гены не могут эффективно функционировать на X-хромосоме. Действительно, в ходе эволюции с X-хромосомы произошёл исход таких генов.
Ткани, связанные с очень высокой скоростью экспрессии (например, поджелудочная железа с активной секрецией), — это как раз те ткани, в которых гены X-хромосомы, как правило, не экспрессируются.
Эти результаты показывают, что для понимания эволюции генов и хромосом необходимо учитывать не только генетические основы половых различий, но и физические ограничения систем, в которых они существуют.
Исследование имеет и практическое применение. Например, в генотерапии, когда для компенсации мутации искусственно вводится новая версия гена, по возможности следует избегать его вставки в X-хромосому, так как его экспрессия может быть ограничена.