Науки о жизни
0

Пол на уровне клетки

by x_plaguedoctor_xМарт 9, 2018


Половые хромосомы в каждой клетке организма оказывают разнообразные, а порой и неожиданные эффекты.

Мышей будто одолел полуночный жор. Вместо того, чтобы нормально спать, лабораторные мыши Карен Рейе (Karen Reue) просыпались рано и постоянно немножечко подкреплялись, что быстро приводило их к ожирению. В ходе исследования Карен с удивлением обнаружила, что вероятной причиной такой постоянной потребности в еде у этих мышей был генетически определенный пол их клеток — число и тип содержащихся в них половых хромосом. «Это было совсем не то, что мы ожидали», — говорит Рейе, генетик Калифорнийского университета, Лос-Анджелес (UCLA).

Идея о том, что каждая отдельная клетка нашего тела имеет «пол», и что эта особенность отражается на нашем здоровье, застигла биологов врасплох. Эксперименты, проведенные в середине ХХ века, подразумевали, что источником физиологических различий между мужчинами и женщинами являются гормоны, вырабатываемые гонадами (семенниками и яичниками соответственно). Однако результаты исследований Рейе — лишь капля во все прибывающем море данных, указывающих на то, что гормоны — это далеко не все. На данный момент предполагается, что не менее важен генетический пол клеток. Различия между клетками разных полов также могут объяснить различную восприимчивость мужчин и женщин к таким патологиям, как ожирение, нейродегенерация, сердечно-сосудистые, аутоиммунные и онкологические заболевания, а также различия в течении этих болезней у пациентов разных полов. Безусловно, в отношении метаболизма «наличие во всех клетках тела двух Х-хромосом или же X- и Y-хромосом приводит к огромным последствиям», со слов Рейе.

Исследователи используют последние достижения молекулярной биологии, чтобы лучше изучить половые хромосомы, особенно X-хромосому. Результаты их исследований способствуют появлению новых представлений о том, как именно X- и Y-хромосомы обуславливают различия между двумя полами. Пол формируется не в результате действия одного-двух генов на ранних стадиях развития яичников и семенников, а, скорее, обусловлен постоянным комплексным взаимодействием многих генов во всех клетках тела. Некоторые из этих генов уравновешивают друг друга, и гены, сдвигающие баланс в сторону типично мужских признаков, компенсируются генами, которые благоприятствуют женской физиологии. Такая точка зрения способствует развитию новых подходов к пониманию межполовых различий в течении заболеваний. «В случае болезни, один из факторов, сдвигающих баланс пола в ту или иную сторону, может быть подавлен, в результате чего другие будут оказывать больший эффект», — объясняет Арт Арнольд (Art Arnold), биолог из UCLA, который стал инициатором большей части работы по эффектам пола на клеточном уровне.

Клад под знаком X

Различия полов по предрасположенности к болезни могут быть поистине драматичными. Около 80% больных аутоиммунными заболеваниями в США — женщины. По сравнению с мужчинами, у женщин, как правило, наблюдается более сильный иммунный ответ на инфекцию и бо́льшая продукция антител в ответ на вакцинацию. Мужчины более склонны к раку, в два раза чаще погибают от злокачественных заболеваний, а также по-другому отвечают на противоопухолевую терапию. Однако большее количество женщин, нежели мужчин, погибает от сердечно-сосудистых заболеваний и ожирения.

Половые гормоны, несомненно, играют определенную роль в этих различиях. Эксперименты, проведенные в первой половине ХХ века, показали, что X- и Y-хромосомы определяют, станут ли развивающиеся гонады в эмбрионе млекопитающих яичниками или семенниками. Казалось, что как только пол гонад установлен, работа половых хромосом завершается. Все последующее, включая развитие половых органов, половое созревание и поло-специфичную физиологию взрослых, представлялось связанным с гормонами, которые секретируются гонадами.

Однако стали появляться намеки на то, что эта схема слишком упрощена. Например, исследователи заметили, что у эмбрионов кенгуру-валлаби мужские или женские половые органы начинают развиваться до того, как их гонады начинают вырабатывать гормоны. Другие исследователи наблюдали, что в зависимости от набора хромосом, XX или XY, имеются различия в активности генов между нейронами крыс при их росте в чашках Петри без воздействия гормонов гонад.

Поразительные доказательства влияния половых хромосом на целый организм появились в виде своеобразной зебровой амадины, которая прибыла в лабораторию Арнольда в начале 2000-х годов, когда он изучал нейробиологию пения птиц. У этого вида в период ухаживания поют только самцы и нейронные цепи, контролирующие это поведение, гораздо лучше развиты у самцов, чем у самок. Однако у этой конкретной амадины наблюдалось редкое отклонение развития: правая сторона птицы была генетически мужской, в то время как левая сторона — генетически женской (см. Рисунок). В мозге птицы нейронные цепи, контролирующие пение, на мужской стороне были крупнее, а на женской — менее протяженными и менее «маскулинными». Тем не менее, во время развития особи, в обе стороны мозга поступали одни и те же гормоны. Причина различий заключалась в хромосомах.

Правая сторона необычной зебровой амадины Арнольда была генетически мужской, а левая — генетически женской.

На птицах сложно проводить генетические эксперименты, к тому же их половые хромосомы сильно отличаются от половых хромосом млекопитающих. Чтобы продолжить исследование, Арнольд и его команда переключились на более удобных лабораторных мышей. Как и в случае человека, мышь, имеющая две хромосомы X (XX) — женского пола, а имеющая X и Y-хромосомы (XY) — мужского. Арнольд и его коллеги взяли линию мышей, в которой могли присутствовать как типичные самки XX и самцы XY, так и мыши XX с семенниками (выглядят как самцы) или XY с яичниками (выглядят как самки). Сравнивая мышей с одним и тем же набором хромосом, но с разными гонадами, исследователи могли бы отличить физиологические различия, вызванные гормонами, от различий, обусловленных хромосомами. Более того, удаление гонад у взрослых мышей позволило исследователям увидеть, какие эффекты хромосомы оказывают без влияния гормонов гонад.

Первоначальные исследования Арнольда показали, что хромосомы X и Y действительно могут сами по себе обуславливать межполовые различия. Его команда обнаружила, что хромосомы способны объяснить, например, межполовые различия в конкретных структурах головного мозга. В сотрудничестве с коллегой из UCLA Рондой Воскюль (Rhonda Voskuhl), аналогичным образом была объяснена бо́льшая частота встречаемости аутоиммунных нарушений у женщин.

Случайная встреча Арнольда и Рейе, изучающей жировую ткань, заставила двух ученых задуматься: способны ли половые хромосомы также влиять на обмен веществ. Работая с мышами Арнольда, Рейе обнаружила, что мыши с двумя Х-хромосомами после удаления гонад становились жирнее, чем мыши с хромосомами XY. Они определили [1], что эта разница обусловлена так называемой «дозой» Х-хромосомы, так как наличие или отсутствие Y-хромосомы оказывало лишь незначительное влияние. Рейе предполагала, что повышение веса связано лишь с активностью метаболизма, однако было показано, что оно зависит еще и от частых приемов пищи в те часы, которые в норме занимает сон.

Если у человека наличие двух Х-хромосом также оказывает негормональные эффекты, результаты данного исследования могут помочь объяснить, почему женщины более склонны к ожирению и часто набирают вес после менопаузы, когда уровень их половых гормонов падает. Арнольд считает, что такое падение гормонов может выявить эффекты Х-хромосомы, связанные с накоплением жиров, аналогично тому, как удаление гонад выявило связь ожирения с Х-хромосомой у мышей.

Хромосомы X (слева) и Y оказывают большее влияние на клетку, чем считалось ранее.

Команда Рейе считает перспективным изучение воздействия гормонов гонад и половых хромосом на типы холестерина в крови мышей. «Доза Х-хромосомы лежит в основе огромного числа метаболических различий между мужчинами и женщинами», — говорит Рейе.

Что же такое Х?

Число половых хромосом не только обуславливает формирование первоначальных различий в гонадах, но и способно влиять на поведение клеток и тканей в течение всей жизни. Это открытие совпало с уточнением еще одной давней идеи: в каждой клетке тела женщины активна только одна из Х-хромосом. Эта идея, названная инактивацией Х-хромосомы, была разработана для объяснения того, как мужчинам удается выжить лишь с одной X-хромосомой. Раскрытие сложностей этого процесса привело к неожиданным находкам, которые помогают объяснить, как пол на клеточном уровне оказывает влияние на целый организм.

В отличие от половых хромосом, другие хромосомы организма всегда парные (по одной от каждого родителя) и обе хромосомы в паре несут один и тот же набор генов. Клеткам нужна только одна копия определенных генов, а вторая копия на другой хромосоме выступает в роли запасной, на тот случай, если первая окажется неисправной. Но есть и такие гены, для правильной работы которых в клетке требуется наличие обеих рабочих копий, с которых считывается достаточное количество РНК для нормального функционирования. Здесь «доза» активности генов имеет решающее значение. Этот баланс настолько важен, что, если у развивающегося эмбриона отсутствует одна хромосома из какой-либо пары, шансы на его выживание крайне малы. Присутствие дополнительных копий также может быть смертельным или приводить к таким отклонениям развития, как синдром Дауна.

Если доза генов так важна, как же мужчины выживают лишь с одной Х-хромосомой? Оказывается, гены на Х-хромосоме компенсируют свою малую дозу, нарабатывая больше РНК, нежели гены на типичных парных хромосомах, поэтому мужчины получают необходимый уровень белковых продуктов этих генов. Но такой процесс происходит у обоих полов, поэтому во избежание передозировки генов, у женщин одна из Х-хромосом «выключается». Первоначально биологи считали, что выключение происходит (во время внутриутробного развития, — прим. перев.) раз и навсегда, поэтому доза генов Х-хромосомы у женщин и мужчин одинакова. Однако и эта идея оставляла без объяснения несколько фактов.

Одну из таких загадок представляют люди с избытком или недостатком половых хромосом. Если у мужчин с хромосомным набором XXY в каждой клетке тела происходит инактивация Х-хромосомы, оставляющая одну активную X-хромосому и одну Y-хромосому, то они должны быть неотличимы от обычных мужчин с набором XY. Однако это не совсем так: хромосомный набор XXY означает наличие у мужчины состояния под названием синдром Кляйнфельтера. В отдельных случаях его симптомы настолько мягкие, что синдром так и остается не диагностированным, однако у других обладателей набора XXY наблюдается бесплодие и когнитивные нарушения различной степени. Обычно у мужчин с синдромом Клайнфельтера накапливается больше жировых отложений и с большей вероятностью возникают нарушения метаболизма, такие как сахарный диабет 2 типа. Также эти мужчины более склонны к развитию таких заболеваний, как остеопороз и аутоиммунные заболевания, которыми в обычных условиях чаще страдают женщины.

У некоторых людей присутствует только одна Х-хромосома (ХО). Из зачатых эмбрионов с хромосомным набором XO подавляющее большинство не развивается (происходит выкидыш) и в срок рождается только 2-3%. Все они — женщины с синдромом Шерешевского-Тернера, при котором наблюдается бесплодие и характерные физические особенности, такие как низкорослость и крыловидные кожные складки на шее.

Существование синдромов Кляйнфельтера и Тернера указывает на то, что даже якобы неактивная вторая Х-хромосома необходима для нормального развития. Возможно, она не настолько «молчащая», как когда-то предполагалось.

Великий побег

Мэри Лайон, генетик из Британии, впервые выдвинувшая идею инактивации Х-хромосомы, в 1961 году предположила, что некоторые гены на второй Х-хромосоме могут не «выключаться». Было известно, что небольшие участки хромосом X и Y содержат одни и те же гены, и Лайон предсказала, что эти общие гены могут оставаться активными. И она оказалась права: примеры сохраняющейся активности генов были обнаружены в конце 1970-х и начале 1980-х годов. Однако к 1990-м годам были описаны гены, расположенные за пределами этих регионов, но также избегающие инактивации. «Ускользнувшие гены были там с самого начала», — говорит Кэролин Браун (Carolyn Brown), генетик Университета Британской Колумбии в Ванкувере. «Но теперь мы понимаем, что не только эти общие гены, но и многие другие способны экспрессироваться с неактивной X-хромосомы».

В 2005 году ученые полностью проанализировали неактивную X-хромосому и обнаружили, что в той или иной степени были активны до четверти генов, а 15 % генов постоянно избегали инактивации. «Для нас стало неожиданностью, что они не оказались редким исключением», — говорит Браун. Впоследствии ученые провели несколько исследований с использованием различных методов и, в 2015 году Браун и ее команда показали, что состояние инактивации характерно для 639 генов на «молчащей» Х-хромосоме [2] — и примерно половина из них способны в той или иной степени инактивации избегать. Уровень активности этих генов варьирует, однако никогда не достигает уровня экспрессии аналогичных генов на активной X-хромосоме. По словам Браун, уровень экспрессии этих генов представляет, скорее, континуум (т.е. может принимать различные значения на непрерывной шкале, — прим. перев.).

Отсюда ясно, что женщины получают бо́льшую дозу определенных генов Х-хромосомы, чем считалось ранее. Сейчас исследователи пытаются установить функциональную роль генов, способных избегать инактивации. Неожиданное большое их число контролирует структуру хромосомной ДНК и, таким образом, увеличивает или уменьшает активность генов по всему геному. Для двух из этих генов структурного контроля уже установлена связь с синдромами умственной отсталости, которые затрагивают и женщин. Ранее в этом году исследовательская команда Гарвардской медицинской школы обнаружила [3], что шесть генов, избегающих X-инактивации, кодируют потенциальные опухолевые супрессоры, которые тормозят развитие рака. Кроме того, у Рейе имеются неопубликованные данные о том, что один из таких «уклоняющихся» генов, по-видимому, в значительной степени обуславливает ожирение ее мышей.

Современные технологии геномики позволяют ученым исследовать вариабельность инактивации Х-хромосомы в разных тканях и у разных индивидов. Биоинформатик Тару Тукиайнен (Taru Tukiainen) из Университета Хельсинки, Финляндия, и ее коллеги использовали метод, называемый РНК-секвенированием единичных клеток для поиска различий в экспрессии генов между двумя Х-хромосомами в отдельных клетках человека. Проводя сопоставление полученных данных с базами, в которых описано, в каких тканях человека и когда активны эти гены, она надеется понять, как полученные данные о вариабельности можно применить для объяснения межполовых различий. «Используя различные типы данных, мы пытаемся охватить весь спектр — от клеток до популяций», — говорит Тукиайнен, планирующая опубликовать результаты в конце 2017 года (на момент перевода статья опубликована в Nature, — прим. ред.).

Молекулярные исследования необходимы, чтобы основать фундамент под крупномасштабными популяционными исследованиями, в которых ведется поиск генов, связанных физическими признаками и комплексными состояниями, такими как ожирение. В течение многих лет исследования, как правило, не учитывали вклад половых хромосом в развитие подобных состояний. Сейчас ситуация меняется, и внимание исследователей переключается на гены X-хромосомы, избегающие инактивации. Например, в 2014 Тукиайнен и ее коллеги установили [4] возможный вклад избегающего инактивации гена ITM2A в межполовые различия роста.

Интерес представляет и собственно процесс X-инактивации. Неактивная Х-хромосома часто повторно активируется при онкологических заболеваниях, особенно при раке молочной железы, а с повышением возраста женщин начинают проявляться признаки активации «спящих» генов. Другим интригующим феноменом является мозаицизм: выбор одной из двух X-хромосом, которая подвергнется активации, происходит в начале эмбрионального развития случайным образом. Это приводит к тому, что в теле особи женского пола часть клеток содержит одну активную Х-хромосому, а все оставшиеся клетки — другую. Однако, иногда инактивируется преимущественно одна конкретная Х-хромосома и это называется несбалансированной инактивацией. Считается, что процесс инактивации является случайным, однако последующее выживание клеток зависит от того какая из копий хромосомы X останется активной, говорит Браун. Это означает, что у некоторых женщин, несущих на одной из Х-хромосом дефектный ген, обычно вызывающий заболевание, никаких признаков этого заболевания не наблюдается.

Чем пристальней исследователи рассматривают половые хромосомы, тем сложнее становится картина. И исследователям, проводящим доклинические испытания, необходимо иметь в виду обусловленные хромосомами межполовые различия, — говорит Рейе. До недавнего времени большинство исследований проводилось преимущественно на самцах животных, поскольку исследователи либо сознательно упускали из виду межполовые различия в проявлениях болезни, либо рассматривали их как нежелательные осложнения. Сегодня, когда ученые более осведомлены об этой проблеме, а финансирующие организации часто требуют включения самок животных в доклинические испытания, Рей надеется, что исследователи увидят преимущество в межполовых различиях и по-новому взглянут на многие биологические признаки.

«Однако, восторгаясь Х-хромосомой, важно не упускать из виду ее “младшего брата” — Y-хромосому», — говорит Арнольд. Когда-то она считалась резервацией генов, которые делают мужчин более мужественными, но было обнаружено, что Y-хромосома содержит активные гены, схожие с некоторыми генами, избегающими инактивации на X-хромосоме. Это говорит о том, что и у мужчин присутствуют две дозы одинаковых генов, по одной на X и на Y-хромосомах и возможно, в некоторых отношениях, это уменьшает различия между мужчинами и женщинами. Изучение процессов и механизмов, лежащих в основе сходства и различия между полами, будет важно для понимания всего процесса этого динамичного поддержания баланса.

Оригинал
Перевод: Koyaanis Katsi
Редакция: Анастасия Нагорняк, Михаил Гусев
Обложка: Cornu Ammonis

About The Author
x_plaguedoctor_x