Как молчит Х-хромосома
Отключение лишней хромосомы в женских клетках зависит от сложнейшего молекулярного механизма, в котором слаженно работают регуляторные РНК и гены самой Х-хромосомы.
Всем известно, что у млекопитающих пол определяется распределением мужских (Y) и женских (X) хромосом: самки несут в своих клетках две X-хромосомы, а самцы – X и Y. (На всякий случай уточним, что «девочкам» Х-хромосомы приходят от обоих родителей, то есть одна из них является материнской, а другая – отцовской.) Однако у самок одна из X-хромосом выключена: если бы они обе были активны, если бы в клетках работали гены сразу с обеих хромосом, то в организме случился бы молекулярно-биохимический дисбаланс. Поэтому ещё во время внутриутробного развития включаются некие механизмы, которые подавляют работу на одной из X-хромосом, причём какая именно из них выключится, определяется случайным образом, то есть в разных клетках тела выключается либо отцовская, либо материнская X.
Хотя про инактивацию одной из женских половых хромосом биологи знали давно, как именно это происходит, долгое время оставалось тайной. Со временем удалось выяснить, что здесь ведущую роль играют так называемые длинные некодирующие РНК. Обычно, заводя речь об РНК, мы имеем в виду информационные, или матричные, молекулы, которые работают посредниками между ДНК и белок-синтезирующим аппаратом: информация о белковой молекуле копируется с ДНК на РНК, а уже РНК читают рибосомы, сшивающие аминокислоты в полипептидную цепь согласно генетическом коду.
Однако огромная масса РНК никаких белков не кодирует, а между тем клетка без них обойтись не может. И сейчас мы говорим о регуляторных РНК, которые могут связываться с молекулами-мишенями – например, с некоторыми участками в ДНК или с белками – и менять их активность. Например, сев на некую регуляторной областью в ДНК, регуляторная РНК может запретить синтез обычной, матричной РНК на гене, управляемом этим регулятором – таким образом ген делается неактивным.
Регуляторных РНК существует много разновидностей, и одна из таких разновидностей – lnkRNA, long non-coding RNA, или длинные некодирующие РНК. (Длинными их назвали потому, что по размерам они не уступают кодирующим РНК, включая в себя сотни и тысячи пар мономеров-нуклеотидов, тогда как обычно регуляторные РНК особой длиной не отличаются и ограничиваются в лучшем случае несколькими десятками нуклеотидов.) РНК, выключающая Х-хромосому, называется Xist, и относится она к длинным некодирующим. Она синтезируется на одной из Х-хромосом, которую по мере собственного синтеза и выключает. Известно, что она может связываться как непосредственно с хромосомной ДНК, так и с белками, которые управляют упаковкой, архивацией ДНК.
Хромосома в рабочем виде представляет собой длиннейшую и запутаннейшую нить ДНК, которая «размазана» по довольно большому пространству внутри клеточного ядра – её гены свободны и доступны белкам, которые синтезируют РНК. Чтобы выключить либо участок хромосомы, либо её всю, нужно её в буквальном смысле «смотать»: плотно упаковать нить ДНК с помощь специальных белков.
Два года назад исследователи из Калифорнийского технологического института опубликовали статью, в которой описывали, что тут делает Xist-РНК: она работает чем-то вроде магнитной скрепки, собирающей в одну точку разные гены, которые нужно инактивировать. Когда она появляется, гены группируются вокруг неё, конденсируясь во что-то вроде облака. Теперь белкам, отвечающим за регуляцию генов, не нужно выискивать их, достаточно прийти в одну конкретную область, где будут сгруппированы все гены, требующие отключения.
Заодно удалось определить, что разные участки огромной Xist-РНК по-разному участвуют в процессе: так, некоторые повторяющиеся последовательности оказались исключительно важны для «замалчивания» Х-хромосомы – если эти последовательности вырезали из Xist-РНК, то хромосома работала, как ни в чём ни бывало. Новая работа, вышедшая в Cell Reports, дополняет картину. Исследователи из Швейцарской высшей технической школы Цюриха решили выяснить, какова роль самой Х-хромосомы в собственной инактивации. Другими словами, их интересовало, есть ли к хромосоме какие-то гены, без которых её не выключить, без которых Xist сама по себе будет бессильной?
В экспериментах использовали особые стволовые клетки мышей, у которых была только одна X-хросомома и в которых постоянно синтезировалась Xist-РНК. Такие клетки долго не жили: накопление регуляторной РНК полностью отключало единственную Х-хросомому – а ведь гены, которые в ней записаны, необходимы для жизни клетки. Однако ситуацию можно было спасти, если нарушить процесс инактивации Х. Авторы работы поочерёдно выключали Х-хромосомные гены: если клетки вдруг выживали, значит, в них хромосома не замолчала, то есть отключённый ген был важен для «успыления» Х-хромосомы.
Таких генов удалось найти несколько, подробно же Антон Вуртц (Anton Wutz) и его коллеги рассмотрели ген Spen. Он кодирует белок, связывающийся с РНК, который служит чем-то вроде переходника между регуляторной Xist и хромосомной ДНК: без него Xist-РНК работает плохо. То есть получается такая последовательность событий: чтобы начать стягивать ДНК к «упаковочному пункту», регуляторная РНК должна вооружиться специальным белком, без которого её конструкторская задача окажется невыполнимой. Возможно, что и прочие Х-хромосомные гены, необходимые для инактивации собственной хромосомы, функционируют в том же духе.
Система, как видим, весьма сложная: мало того, что Х-хромосома кодирует Xist-РНК, так в ней ещё есть и специальные гены, помогающие Xist работать. Имеет ли всё это значение для человека? У нас есть и Xist, и ген Spen, так что вполне возможно, что у женщин вышеописанный механизм также работает. В целом же по похожей схеме могут управляться и другие хромосомы: ведь далеко не все гены работают единовременно в клетке, некоторые «просыпаются» только в определённые промежутки развития, а некоторые вообще «спят» почти всю жизнь. Ненужные участки генома могут удерживаться в архивном виде с помощью подобных регуляторных РНК и тогда, изучая Х-хромосому, у нас есть шанс, как обстоят дела в других участках клеточного генома.
