Половые хромосомы человека произошли от пары аутосом, обычных или неполовых хромосом, которые содержат большую часть нашего генома и встречаются в идентичных парах. Эта предковая пара аутосом разошлась и образовала две разные хромосомы, X и Y. Несмотря на то, что X и Y разрослись друг от друга и взяли на себя уникальные функции, а именно определение пола и определение половых различий у мужчин и женщин, они также сохраняют общие черты. функции, унаследованные от общего предка.

Новое исследование члена Института Уайтхеда Дэвида Пейджа, который также является профессором биологии Массачусетского технологического института и медицинским исследователем Говарда Хьюза, а также постдоком в его лаборатории Адрианной Сан Роман, проливает свет на половые хромосомы’ разделяют роль влиятельных регуляторов генов.

Исследование, опубликованное в журнале Cell Genomics в декабре. 13 показано, что гены, экспрессируемые из X- и Y-хромосом, влияют на клетки всего организма, а не только в репродуктивной системе, увеличивая или уменьшая экспрессию тысяч генов, обнаруженных на других хромосомах.

Кроме того, исследователи обнаружили, что пара генов, ответственная примерно за половину этого регуляторного поведения, ZFX и ZFY, обнаруженная на X- и Y-хромосоме соответственно, оказывает по существу те же регуляторные эффекты, что и друг друга. Это говорит о том, что ZFX и ZFY унаследовали свою роль влиятельных регуляторов генов от своего общего предка и независимо сохранили ее, даже несмотря на то, что их соответствующие хромосомы разошлись, поскольку эта регуляторная роль имеет решающее значение для роста и развития человека. Гены, регулируемые ZFX и ZFY, участвуют во всех видах важных биологических процессов, показывая, что половые хромосомы вносят значительный вклад в функции, выходящие за рамки тех, которые связаны с половыми характеристиками.

Пейдж и Сан-Роман измерили, как X- и Y-хромосомы влияют на глобальную экспрессию генов, построив график того, как экспрессия каждого гена изменяется в клетках в зависимости от количества присутствующих X- или Y-хромосом. Для этой работы они использовали образцы тканей людей, число половых хромосом которых от природы варьируется: людей, родившихся с от одной до четырех Х-хромосом и от нуля до четырех Y-хромосом. Эти вариации половых хромосом встречаются у всей человеческой популяции и приводят к множеству нарушений здоровья, но, в отличие от дупликации большинства других хромосом, совместимы с жизнью.

«Используя естественные вариации состава половых хромосом в человеческой популяции, мы смогли математически смоделировать, как количество X и Y-хромосомы влияют на экспрессию генов так, как никогда раньше. Применив этот подход, мы получили новое понимание огромного влияния, которое гены X и Y оказывают на весь геном», — сказал он. Говорит Сан-Роман.

Для этого проекта исследователи рассмотрели два типа клеток, которые они выбрали из-за простоты сбора образцов — лимфобластоидные клетки, тип иммунные клетки и фибробласты, полученные из клеток кожи, которые помогают формировать наши соединительные ткани, и измерили, как экспрессия генов меняется в каждом типе клеток с каждым дополнительным X или Y.

Они обнаружили, что тысячи генов изменили уровень своей экспрессии в ответ на изменения количества присутствующих X- и/или Y-хромосом. Эффекты масштабировались линейно, а это означает, что каждая дополнительная X- или Y-хромосома изменяла экспрессию генов на одинаковую величину. Какие гены были затронуты и в какой степени, были разными для каждого типа клеток, что позволяет предположить, что каждый тип клеток в организме может иметь уникальный ответ на регуляцию генов< a i=2> генами X- и Y-хромосомы.

Однако для данного гена в данном типе клеток эффект дополнительного X, как правило, был аналогичен эффекту дополнительного Y. Это было неожиданным открытием для исследователей, которые ожидали, что различия в том, как гены на X и Y Y-регулирование других генов может помочь объяснить некоторые половые различия, наблюдаемые в здоровье и болезнях. Например, у мужчин и женщин разный риск развития определенных заболеваний, разные симптомы при развитии одного и того же заболевания и разные реакции на определенные лекарства.

Существует множество различий между мужскими и женскими клетками, которые еще не объяснены, и регуляторы генов X и Y, которые регулируют экспрессию генов во всем организме, кажутся многообещающими кандидатами, способными внести свой вклад в эти различия.

Вместо этого Пейдж и Сан-Роман остановились на паре генов ZFX и ZFY, поскольку она отвечает примерно за половину влияния X и Y на широко распространенную экспрессию генов, и эта пара, по-видимому, функционально эквивалентна, хотя ZFX иногда имел несколько более сильный эффект. чем ZFY. Другие гены X и Y, вероятно, также будут широко распространенными генными регуляторами, составляя вторую половину эффекта.

Эти другие генные регуляторы, подобно ZFX и ZFY, могут представлять собой пары XY, которые играют по существу эквивалентные роли. В конце концов, регуляция генов является важной функцией, и регуляторные роли, которые X и Y унаследовали от общего предка, возможно, должны выполняться точно таким же образом для жизнеспособности плода, независимо от того, как еще X и Y будут расти друг от друга.

Однако исследователи подозревают, что некоторые гены X и Y должны модифицировать экспрессию генов по-разному или в разной степени, чтобы объяснить многочисленные половые различия, наблюдаемые в мужских и женских клетках. Проблема заключается в том, что, поскольку сильнейшее влияние X и Y на широко распространенную экспрессию генов является общим, исследователям будет труднее выяснить, каким образом две хромосомы по-разному влияют на экспрессию генов.

«Влияние на геном, которое может объяснить половые различия, более тонкое, чем мы предполагали ранее,» Сан Роман говорит. «Одним моментом, представляющим интерес для будущих исследований, является то, что, хотя мы видели, что X и Y оказывают сильно коррелирующее влияние на экспрессию генов, мы наблюдали более сильные эффекты с X, а не с количеством копий Y, и это может способствовать половые различия.»

Переосмысление половых хромосом: неактивный или активный Х

Тонкость, которая до сих пор не обсуждалась, заключается в том, что когда Пейдж и Сан-Роман думают о половых хромосомах, они больше не думают о Х, как думает о нем большинство людей. Их работа убедила их в том, что наше нынешнее понимание половых хромосом неточно. Хотя половые хромосомы человека определяются как X и Y, на самом деле существует два типа Х-хромосом, и только один из них различается у типичных мужчин и женщин. У каждого человека в мире есть один «активный X». хромосома. Эта хромосома, как и аутосома, присутствует повсеместно, поэтому ее наличие не влияет на пол.

Что различает типичных мужчин и женщин, так это хромосома, которая спаривается с активной Х: типичные мужчины имеют Y-хромосому, а типичные женщины имеют «неактивную Х». хромосома, которая генетически идентична активной Х, но у которой отключено большинство генов. У людей с нетипичным составом половых хромосом любые дополнительные Х-хромосомы всегда будут неактивными Х-хромосомами, поэтому, когда исследователи измеряли эффект от добавления большего количества Х-хромосом, они на самом деле измеряли эффект от добавления большего количества неактивных Х-хромосом.

Неактивные X и Y, а не X и Y, точнее являются половыми хромосомами, которые, как обнаружили исследователи, изменяют широко распространенную экспрессию генов. Более того, Пейдж и Сан-Роман обнаружили, что неактивные X и Y регулируют экспрессию многих генов на активной Х-хромосоме, так же, как они это делают на всех аутосомах. (Это расширяет предыдущую работу Пейджа и Сан-Романа, в которой основное внимание уделялось взаимосвязи между неактивной и активной Х-хромосомой.) Таким образом, активная Х-хромосома ведет себя как аутосома, в то время как неактивная Х-хромосома и Y-хромосома функционируют как две стороны одна и та же монета, как половые хромосомы, так и регуляторы генов.

«Эти хромосомы исторически были известны как ‘неактивные’ X и «бедные гены»; Y-хромосомам, и им уделялось мало внимания, кроме того, как они способствуют половой дифференциации, поэтому для нас было ошеломляющим видеть, насколько широка была их сеть влияния», — говорит Пейдж. «Эти хромосомы содержат гены, такие как ZFX и ZFY, которые являются глобальными регуляторами генов, и я думаю, что по мере того, как мы узнаем о них больше, это будет происходить полностью изменить наше представление о генетике человеческих X- и Y-хромосом».