Век генетики: эволюция идей и понятий

С середины 60-х годов, когда была сформулирована концепция генной регуляции, стало очевидным, что дифференциация клеток и тканей в онтогенезе основана на дифференциальной регуляции генной активности. В каждом эпигенетическом феномене обычно можно и нужно выделить три составляющих или регуляционную триаду: 1) сигнал, который действует на ген переключатель, 2) восприятие сигнала рецепторной областью гена-переключателя (switch gene) и выбор этим геном одного из альтернативных режимов функционирования; 3) поддержание выбранного состояния в ряду клеточных поколений с помощью батареи генов фактор (температура, плотность популяции, наличие цитобионта) либо генетический фактор, как, например, соотношение половых хромосом и аутосом или присутствие определенного гена-регулятора. До сих пор широко распространена неточность или ошибка — говорить лишь о средовой регуляции, когда средовой фактор является лишь сигналом, упуская из виду всю триаду и непременностъ гена-переключателя. Примером может служить интересная статья Д. Гродницкого (2000), где обсуждается переопределение пола у равноногих ракообразных, когда генотипически мужские особи становятся самками в случае размножения в цитоплазме бактерии-цитобионта Wollbachia.

Типичным примером эпигенетической триады регуляции: сигнал — восприятие сигнала локусом-переключателем — поддержание выбранного состояния, являются детерминация пола, инактивация одной из X-хромосом в соматических клетках у самок млекопитающих и хромосомный (генный) импринтинг. Эти сложные события происходят по сходному эпигенетическому сценарию. Он включает иерархическую цепь или каскад явлений, запускаемых всего одним ключевым геном, способным находиться в разных состояниях.

7.3.1. Эпигенетика детерминации пола

В случае детерминации пола у дрозофилы цепь эпигенных изменений расшифрована до молекулярного уровня. Можно сравнить основные принципы генетики пола у дрозофилы и у человека. Сравнение весьма уместно, ибо, напомню, хромосомные болезни у человека были на четверть века ранее открыты и смоделированы на дрозофиле.

У дрозофилы самки имеют при оплодотворении генотип XX, а самцы XY. В Х-хромосоме локализован основной ген-переключатель Sxl, способный под действием генотипического сигнала быть в двух альтернативных состояниях. У самок продукт гена всегда активен, у самцов — неактивен. Соответственно, самки имеют генотип Sxl⁺/ Sxl⁺, a самцы — Sxl⁰ /Y. Делеционные, инсерционные или точковые мутации "утраты функции" (loss of function) гена-переключателя Sxl в гомозиготе детальны у самок, но жизнеспособны у самцов. И, напротив, конститутивные мутации типа "приобретение функции" (gain of function), когда Sxl не способен переходить под действием сигнала в неактивное состояние, — летальны у самцов.

Переключатель Sxl имеет два промотора: ранний и поздний. При импульсной активации первого промотора под действием сигнала у самок синтезируется РНК-связывающий белок. Затем этот белок (по типу эпигена — раздел 4.6.) регулирует правильный сплайсинг собственной РНК с позднего промотора. В итоге синтезируется функционально активный белок SXL. Этот белок, в свою очередь, регулирует правильный сплайсинг и синтез функционально активного ДНК-связывающего продукта гена tra, transformer — первого в каскадной цепи пол-определяющих генов. У гомозиготных мутантных самок tra/tra происходит реверсия пола, а у самцов мутация никак не проявляется, ибо в норме у них ген не активен. Таким образом, активное состояние Sxl⁺ гена-переключателя передается по цепочке к генам, запускающим половую дифференцировку.

Еще на заре генетики было установлено, что сигналом для детерминации пола у дрозофил служит хромосомный баланс: соотношение половых хромосом и аутосом. В статье, красноречиво названной "Сигнал детерминации пола или как мухи считают до двух" Томас Клайн (dine, 1993) анализирует, современный смысл понятия "хромосомный баланс". В Х-хромосоме локализованы два особых гена (sisA и sisB), названных "нумераторы", которые кодируют ДНК-связывающие белки и доза которых имеет важное сигнальное значение для статуса гена-переключателя. Оба гена транскрипционно активны с самого начала развития и их продукты активируют Sxl во всех клетках сомы. Активация раннего промотора переключателя Sxl зависит от концентрации Sis-белков, количество которых в 2 раза больше у XX-эмбрионов, нежели у XY. Таким образом, несколько размытое понятие "хромосомный баланс" получает конкретное молекулярное истолкование. Оценивается число нумераторов через концентрацию их продуктов. Соответственно оценивается число Х-хромосом с нумераторами/