Ηλεκτρονική Πύλη του Ασκληπιακού Πάρκου

Οι ετερογαμετικοί οργανισμοί πλεονεκτούν έναντι των μονογαμετικών ως προς την γενετική ποικιλομορφία που τους εξασφαλίζει αυτός ο τρόπος αναπαραγωγής. Παράλληλα, όμως, χρειάστηκε να αντιμετωπίσουν ένα σημαντικό πρόβλημα που οφειλόταν στην ύπαρξη των φυλετικών χρωμοσωμάτων. Για να διατηρηθεί η σωστή αναλογία γονιδιακών προϊόντων θα έπρεπε να αντισταθμιστεί η διαφορά ανάμεσα στα δύο Χ χρωμοσώματα των θηλυκών και το ένα Χ χρωμόσωμα των αρσενικών ατόμων.

Με αυτό το πρόβλημα δεν ήρθε αντιμέτωπος μόνο ο άνθρωπος, αλλά το σύνολο των ετερογαμετικών οργανισμών με φυλετικά χρωμοσώματα. Ως αποτέλεσμα, σήμερα έχει διαπιστωθεί η ύπαρξη μιας σειράς διαφορετικών μηχανισμών αντιστάθμισης του γονιδιακού πλεονάσματος. Μερικοί από αυτούς διαθέτουν σημαντικά από την αδρανοποίηση του Χ, ενώ άλλοι εμφανίζουν ενδιαφέρουσες αναλογίες. Σε κάθε περίπτωση πάντως, οι βασικοί μηχανισμοί είναι τρεις:

Η τυχαία αδρανοποίηση του ενός από τα δύο Χ στα θηλυκά άτομα έχει παρατηρηθεί κυρίως στα θηλαστικά. Όπως είναι φυσικό, μας ενδιαφέρει ιδιαίτερα ο τρόπος με τον οποίο ο μηχανισμός αυτός δρα στον άνθρωπο, οι γνώσεις μας όμως προέρχονται κυρίως από τον ποντικό. Αν και ο βασικός μηχανισμός φαίνεται να είναι ο ίδιος, ανάμεσα στα δύο είδη υπάρχουν και ορισμένες σημαντικές διαφορές.

Η υπερμεταγραφή, αντίστοιχα, του μονού Χ των αρσενικών έχει μελετηθεί στον πρότυπο οργανισμό Drosophila melanogaster, όπου μια σειρά πρωτεϊνών και δύο RNA σχηματίζουν το λεγόμενο σύμπλεγμα msl που διπλασιάζει τη μεταγραφική δραστηριότητα των γονιδίων στο μονό Χ χρωμόσωμα των αρσενικών ατόμων. Μ’ αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνονται επίπεδα γονιδιακών προϊόντων ισοδύναμα με τα δύο Χ χρωμοσώματα των θηλυκών.

Τέλος, η υπομεταγραφή και των δύο Χ χρωμοσωμάτων των ΧΧ ατόμων μελετήθηκε στον Caenorhabditis elegans. Τα ΧΧ άτομα αυτού του είδους είναι ερμαφρόδιτα και χρησιμοποιούν κοινές πρωτεϊνες που σχετίζονται με το πακετάρισμα και τον διαχωρισμό των χρωμοσωμάτων σε συνδυασμό με ειδικές πρωτεϊνες στόχευσης των δύο Χ. Έτσι δημιουργείται μια «χρωμοσωμική» μορφή γονιδιακής ρύθμισης που προστίθεται στην υπάρχουσα και μειώνει το επίπεδο των γονιδιακών προϊόντων στο μισό.

Οι παραπάνω μηχανισμοί, αν και οι πιο βασικοί, δεν είναι οι μόνοι. Είναι ωστόσο οι πιο αντιπροσωπευτικοί ως προς τον τρόπο με τον οποίο η Φύση αντιμετώπισε το μειονέκτημα του φυλετικού τρόπου αναπαραγωγής.

Η τυχαία αδρανοποίηση του ενός Χ χρωμοσώματος αποτελεί τον κατεξοχήν μηχανισμό αντιστάθμισης του γονιδιακού πλεονάσματος των θηλαστικών. Όπως προαναφέρθηκε, έχει μελετηθεί κυρίως στα τρωκτικά και τον άνθρωπο, αν και οι έρευνες στον ποντικό είναι κατά πολύ εκτενέστερες των αντίστοιχων στον άνθρωπο.

Η αδρανοποίηση του Χ χρωμοσώματος είναι μια διεργασία που ολοκληρώνεται κατά την διάρκεια της πρώιμης εμβρυϊκής περιόδου. Λόγω της φύσης της λοιπόν είναι δύσκολο να ερευνηθεί στον άνθρωπο. Όντως, πολλές από τις γνώσεις μας τις έχουμε αντλήσει από αντίστοιχες έρευνες που έχουν πραγματοποιηθεί στον ποντικό. Αυτό όμως μπορεί να αποτελέσει πηγή παρεξηγήσεων, καθώς μεταξύ των δύο ειδών υπάρχουν ορισμένες βασικές διαφορές, οι οποίες, παρόλο που δεν αλλάζουν την φύση του φαινομένου, μπορούν να προκαλέσουν σύγχυση. Είναι σημαντικό επομένως να ξεκαθαρίσουμε ορισμένες από αυτές τις διαφορές.

α. Γονίδια που διαφεύγουν της αδρανοποίησης

Όπως έχει ήδη προαναφερθεί, υπάρχουν ορισμένα γονίδια που διαφεύγουν της αδρανοποίησης τόσο στον άνθρωπο όσο και στο ποντίκι. Ενώ όμως στον άνθρωπο έχουν βρεθεί μέχρι σήμερα περίπου 34 τέτοια γονίδια, στον ποντικό υπάρχουν μόνο δύο. Ποια μπορεί να είναι η χρησιμότητα αυτού του γεγονότος;

Τα γονίδια αυτά στον άνθρωπο είτε διαθέτουν ένα λειτουργικό ομόλογο στο Υ, είτε το ομόλογό τους στο Υ δεν είναι λειτουργικό ή δεν υπάρχει καθόλου. Τα γονίδια με λειτουργικό ομόλογο στο Υ αποτελούν την πλειοψηφία και κατανέμονται κατά κύριο λόγο στις ψευδοαυτοσωμικές περιοχές PAR1 και PAR2. Σε κάθε περίπτωση, η παρουσία των γονιδίων αυτών στο αδρανοποιημένο Χ δεν μεταβάλλει σε τίποτα τη μεταγραφική τους δραστηριότητα.

Ψευδοαυτοσωμική περιοχή διαθέτει και το ποντίκι, και μάλιστα τα γονίδια που έχουμε συναντήσει στις ψευδοαυτοσωμικές περιοχές του ανθρώπου φαίνονται να υπάρχουν και εδώ και μάλιστα με την ίδια περίπου σειρά. Τα γονίδια αυτά όμως υπόκεινται σε αδρανοποίηση μαζί με τα υπόλοιπα γονίδια του χρωμοσώματος, σε αντίθεση με τα συγγενικά τους στο άνθρωπο. Εξαίρεση αποτελούν μόνο δύο, αντί για τα 34 του ανθρώπινου Χ, το Smcx και το Sts (Steroid sulfatase).

Το Smcx, όπως και το αντίστοιχό του SMCX στον άνθρωπο, δεν ανήκει σε ψευδοαυτοσωμική περιοχή αλλά διαθέτει λειτουργικό ομόλογο στο Υ. Όμωσ παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον το γεγονός ότι, ενώ στον άνθρωπο τα μεταγραφικά επίπεδα του SMCX είναι τα ίδια για το ενεργό και το αδρανοποιημένο Χ, στον ποντικό η μεταγραφή του Smcx του αδρανοποιημένου Χ είναι ελαττωμένη κατά 30% με 70%. Επίσης η έκφραση του Smcx διέφερε από ιστό σε ιστό και για τον ίδιο ιστό από ποντικό σε ποντικό. Η παρατήρηση αυτή είναι αποτέλεσμα ερευνών σε ενήλικους ποντικούς και έχει επιβεβαιωθεί ότι δεν οφείλεται σε μωσαϊκισμό. Περαιτέρω έρευνες σε ποντίκια της πρώιμης εμβρυϊκής περιόδου και σε διαφοροποιούμενα εμβρυϊκά αρχέγονα κύτταρα οδήγησαν στην υπόθεση ότι μπορεί το Smcx αρχικά να υπόκειται σε αδρανοποίηση και αργότερα να επανενεργοποιείται μερικώς.

Από την άλλη πλευρά, το Sts είναι το αντίστοιχο του ανθρώπινου STS, αλλά σε αντίθεση με αυτό ανήκει στην ψευδοαυτοσωμική περιοχή του ποντικού. Και σε αυτό έχουν παρατηρηθεί ελαττωμένα επίπεδα ενζυμικής δραστηριότητας από το αδρανές Χ που υποδεικνύουν έως και 50% μείωση της μεταγραφικής δραστηριότητας. Η διαφορά όμως είναι ότι, σ’αυτή την περίπτωση, παρόμοια μείωση της μεταγραφικής δραστηριότητας έχει παρατηρηθεί και στον άνθρωπο, αν και ίσως όχι τόσο έντονη.

Σε γενικές γραμμές λοιπόν μπορούμε να πούμε ότι η διαφυγή από την αδρανοποίηση του Χ στον ποντικό είναι πολύ περιορισμένη σε σχέση με τον άνθρωπο. Παρατηρείται μόνο σε δύο γονίδια και είναι ατελής. Η μερική αδρανοποίηση αυτών των γονιδίων έχει βέβαια σαν αποτέλεσμα οι αντίστοιχοι ιστοί στα αρσενικά άτομα να εμφανίζουν μεγαλύτερα επίπεδα των γονιδιακών προϊόντων από τα θηλυκά άτομα. Η σκοπιμότητα αυτού του γεγονότος δεν είναι γνωστή, όπως δεν είναι γνωστός ο λόγος για τον οποίο η διαφυγή από την αδρανοποίηση είναι τόσο περιορισμένη στον ποντικό. Σε κάθε περίπτωση όμως προσφέρει στον ποντικό ένα σημαντικό πλεονέκτημα στο σύνδρομο Turner. Οι ποντικοί με γονότυπο ΧΟ εξελίσσονται σε σχεδόν φυσιολογικά θηλυκά με αναπαραγωγική ικανότητα, σε αντίθεση με τις βαρύτατες συνέπειες του συνδρόμου Turner στον άνθρωπο. Αυτό οφείλεται στο μεγαλύτερο αριθμό γονιδίων που «απορρυθμίζονται» στον άνθρωπο.

Μία από τις κύριες θέσεις της Lyon που αργότερα ανατράπηκαν οριστικά υπήρξε και ο ισχυρισμός ότι η αδρανοποίηση γίνεται τυχαία, δηλαδή ότι το κάθε φυσιολογικό Χ χρωμόσωμα έχει τις ίδιες πιθανότητες να αδρανοποιηθεί με το ομόλογό του. Εδώ όμως αξίζει να διευκρινίσουμε και κάτι πολύ σημαντικό. Στον άνθρωπο η αδρανοποίηση όντως είναι τυχαία. Μη τυχαία αδρανοποίηση παρατηρείται μόνο στον ποντικό.

Πιο συγκεκριμένα, φαίνεται πως ολόκληρος ο μηχανισμός της αδρανοποίησης του Χ διαφέρει ανάμεσα στους δύο οργανισμούς. Στον ποντικό το αδρανοποιημένο Χ ανιχνεύεται για πρώτη φορά στα θηλυκά έμβρυα 3,5 ημέρες μετά τη γονιμοποίηση και σχετίζεται με την επιλεκτική αδρανοποίηση του πατρικού Χ στους εξωεμβρυϊκούς ιστούς. Για τους υπόλοιπους ιστούς που θα αποτελέσουν τον μετέπειτα οργανισμό παρατηρείται ένα δεύτερο κύμα αδρανοποίησης ταυτόχρονα με τη διαφοροποίησή τους, το οποίο όμως ακολουθεί το πρότυπο της τυχαίας αδρανοποίησης ενός από τα δύο Χ, είτε είναι πατρικό είτε μητρικό.

Έτσι λοιπόν, όπως έχει ήδη περιγραφεί, θεωρήθηκε ότι υπεύθυνη για αυτά τα ευρήματα είναι η αποτύπωση. Στο πρώτο κύμα κυριαρχεί μόνο το γονίδιο Xist που εδράζεται στο πατρικό χρωμόσωμα, ενώ το αντίστοιχο γονίδιο στο μητρικό χρωμόσωμα παραμένει σιωπηλό, προκαλώντας επιλεκτική αδρανοποίηση του πατρικού Χ. Στη συνέχεια παρατηρείται άρση της αποτύπωσης. Το δεύτερο κύμα αδρανοποίησης που ακολουθεί δεν διακρίνει ανάμεσα σε πατρικό και μητρικό χρωμόσωμα και η διαδικασία είναι τυχαία.

Στον άνθρωπο αντίθετα, το γονίδιο XIST αρχικά εκφράζεται και στα δύο φύλα. Βέβαια, τα επίπεδα έκφρασης είναι πολύ χαμηλά, και το προϊόν του γονιδίου είναι ασταθές. Το γεγονός, όμως, ότι εκφράζεται και από τα δύο Χ χρωμοσώματα του θηλυκού ατόμου καθώς και από το μονό Χ χρωμόσωμα που τα αρσενικά έμβρυα κληρονομούν από τη μητέρα τους, δεν μας αφήνει περιθώρια για να θεωρήσουμε ότι ισχύει και εδώ ο ίδιος μηχανισμός. Απλούστατα δεν υπάρχουν ενδείξεις για την ύπαρξη κάποιου είδους αποτύπωσης, εφόσον και τα δύο χρωμοσώματα είναι σε θέση να ενεργοποιούν το XIST τους. Όντως, η αδρανοποίηση στον άνθρωπο είναι τυχαία για το σύνολο των ιστών και αυτό ίσως να αποτελεί ένδειξη ενός διαφορετικού μηχανισμού επιλογής του αδρανοποιημένου Χ, όπως άλλωστε υποδεικνύεται και από τα ευρήματα του Gail R. Martin για την πρόωρη αντιγραφή του επιλεκτικά αδρανοποιημένου Χ (βλέπε κεφ. 1.3).

Τι αντίκτυπο μπορεί να έχει αυτό στην ανάπτυξη των εμβρύων των ανθρώπων και των ποντικών; Έμβρυα ποντικών που λόγω χρωμοσωμικών ανωμαλιών έχουν κληρονομήσει δύο Χ χρωμοσώματα, αλλά είναι και τα δύο πατρικής ή μητρικής προέλευσης, σπάνια επιβιώνουν (και αυτό γιατί σε ορισμένες περιπτώσεις μπορεί να παρατηρηθεί άρση της αποτύπωσης για διάφορους λόγους). Τα ποντίκια αυτά είτε διατηρούν ενεργά και τα δύο μητρικά είτε αδρανοποιούν και τα δύο πατρικά Χ στους εξωεμβρυϊκούς ιστούς, γεγονός που οδηγεί στην αποβολή τους. Το ίδιο ισχύει και για τα αρσενικά ποντίκια που αντί να κληρονομήσουν το μοναδικό τους Χ από τη μητέρα τους, το κληρονομούν από τον πατέρα, με αποτέλεσμα να αδρανοποιείται και στα κύτταρα των εξωεμβρυϊκών ιστών να μην απομένει κανένα ενεργό Χ χρωμόσωμα. Αντίθετα, στον άνθρωπο δεν παρατηρούνται τέτοιες διακρίσεις, και έμβρυα με δύο μητρικά ή δύο πατρικά φυλετικά χρωμοσώματα γεννιούνται φυσιολογικά.

Αυτού του είδους οι διακρίσεις ανάμεσα στα διαφορετικά είδη μπορούν να μας δώσουν πληροφορίες σχετικά με την εξέλιξη του μηχανισμού της αδρανοποίησης του Χ. Σήμερα γνωρίζουμε ότι ο μηχανισμός αυτός, εκτός από τα θηλαστικά, έχει παρατηρηθεί και στα μαρσιποφόρα, όπου όμως έχουμε αποκλειστικά αδρανοποίηση του πατρικού Χ. Η επιλεκτική αυτή αδρανοποίηση παρουσιάζει ορισμένα κοινά σημεία με την επιλεκτική αδρανοποίηση στους εξωεμβρυϊκούς ιστούς του ποντικού, όπως το ότι είναι λιγότερο σταθερή από την τυχαία, ότι σχετίζεται με την αποτύπωση, και άλλα. Εφόσον λοιπόν γνωρίζουμε ότι η τυχαία αδρανοποίηση, όπως τη μελετήσαμε στα θηλαστικά, έχει προέλθει από την επιλεκτική αδρανοποίηση των μαρσιποφόρων, το ερώτημα που τίθεται είναι αν η επιλεκτική αδρανοποίηση που παρατηρούμε στον ποντικό είναι υπόλειμμα αυτού του πρόδρομου μηχανισμού ή εάν επανήλθε στο βιολογικό παρασκήνιο λόγω κάποιου εξελικτικού πλεονεκτήματος που προσφέρει.

Σχετικά με την επιλεκτική αδρανοποίηση συναντάμε άλλη μια βασική διαφορά ανάμεσα στον ποντικό και τον άνθρωπο. Πρόκειται για το γονίδιο που ουσιαστικά ρυθμίζει την επιλεκτική αδρανοποίηση στον ποντικό, το Tsix. Το γονίδιο αυτό παρατηρείται τόσο στον ποντικό όσο και στον άνθρωπο, μόνο που στο δικό μας είδος δεν φαίνεται να έχει χρησιμότητα.

Καθώς οι έρευνες για τη μελέτη της αδρανοποίησης του Χ συνεχίζονταν, δεν άργησε να εμφανιστεί ένα ακόμη γονίδιο που άλλαξε σημαντικά τις απόψεις μας για την επιλογή του Χ που θα αδρανοποιηθεί. Δεν είναι άλλο από το γονίδιο Tsix, το οποίο έχει ήδη περιγραφεί ως το antisense γονίδιο που ρυθμίζει την έκφραση του Xist. Σήμερα έχει πλέον συνδεθεί με την επιλεκτική αδρανοποίηση στους εξωεμβρυϊκούς ιστούς του ποντικού, για την οποία μιλήσαμε και προηγουμένως. Υπόκειται σε ισχυρή αποτύπωση, η οποία παρέχεται κατά την διάρκεια της γαμετογένεσης και από τους δύο γονείς. Με λίγα λόγια, τόσο η μητέρα παρέχει στα Χ χρωμοσώματα που κληροδοτεί στους απογόνους της το σήμα να ενεργοποιήσουν το Tsix τους, όσο και ο πατέρας παρέχει στα δικά του Χ χρωμοσώματα το σήμα να διατηρήσουν το Tsix τους ανενεργό. Η έκφρασή του αυτομάτως συνεπάγεται την καταστολή του Xist. Μ’αυτόν τον τρόπο, τα μητρικά Χ χρωμοσώματα παραμένουν ενεργά και στα αρσενικά αλλά και στα θηλυκά έμβρυα, ενώ τα πατρικά αδρανοποιούνται σε κάθε περίπτωση. Μετά την άρση της αποτύπωσης μπορεί να εκφραστεί τόσο το πατρικό όσο και το μητρικό Tsix με αποτέλεσμα την τυχαία αδρανοποίηση.

Όλα αυτά συμφωνούσαν απόλυτα με όλα όσα οι επιστήμονες είχαν μέχρι τότε προβλέψει για την επιλεκτική και την τυχαία αδρανοποιήση στον ποντικό. Στον άνθρωπο, όμως έχουμε μόνο τυχαία αδρανοποίηση. Θα μπορούσε λοιπόν το ίδιο γονίδιο να παίζει ανάλογο ρόλο και στον άνθρωπο;

Η απάντηση είναι πως όχι. Το ανθρώπινο ομόλογο του Tsix έχει ανακαλυφθεί. Συμβολίζεται TSIX και εδράζεται και αυτό στο XIC. Η Migeon με την ομάδα της, όμως, μελετώντας το TSIX παρατήρησαν ότι εκφράζεται μόνο στο αδρανές χρωμόσωμα, μαζί με το XIST. Τα δύο γονίδια συνεχίζουν να εκφράζονται μαζί μέχρι τη γέννηση, οπότε για άγνωστους λόγους το TSIX σταδιακά εξαφανίζεται. Σύμφωνα με τη Migeon, τα δύο Tsix είναι αρκετά διαφορετικά. Το TSIX εμφανίζει διαφορετικές αλληλουχίες από το Tsix, ενώ ολόκληρες περιοχές έχουν χαθεί. Από το ανθρώπινο γονίδιο λείπουν σημαντικά ρυθμιστικά στοιχεία που είναι απαραίτητα για την δράση του αντίστοιχου γονιδίου στον ποντικό.

Είναι φανερό λοιπόν ότι το Tsix, ένα γονίδιο στενά συνδεδεμένο με την επιλεκτική αδρανοποίηση μέσω της αποτύπωσης, παραμένει λειτουργικό στον ποντικό αλλά όχι στον άνθρωπο. Η επιλεκτική αυτή αδρανοποίηση, που επιδεικνύεται μόνο στους εξωεμβρυϊκούς ιστούς του ποντικού, επίσης λαμβάνει χώρα στο έμβρυο των εξελικτικών μας ξαδέρφων, τα μαρσιποφόρα. Το γεγονός ότι το Tsix σχετίζεται με αυτή ίσως αποτελεί ένδειξη ότι το γονίδιο αυτό είναι πιο αρχαίο απ’ ότι νομίζουμε και ότι μπορεί να αποτελεί έναν συνδετικό κρίκο με τον προγονική μορφή της αδρανοποίησης του Χ. Αν όμως ο ίδιος αυτός κρίκος εγκαταλείφθηκε από τον άνθρωπο κατά την πορεία της δικής του εξέλιξης, ποιος μπορεί να είναι ο ρόλος του στη σύγχρονη τυχαία αδρανοποίηση;

Ένα ακόμη στοιχείο που φαίνεται να απομακρύνει την αδρανοποίηση του ποντικού από το πρότυπο του τυχαίου μωσαϊκού του ανθρώπου είναι και τα γονίδια Xce. Όπως έχει επίσης ήδη αναφερθεί, πρόκειται για τέσσερα αλληλόμορφα, τα Xcea, Xceb, Xcec και Xced. Τα αλληλόμορφα αυτά επηρεάζουν την πιθανότητα ενός από τα δύο Χ να αδρανοποιηθεί, με αποτέλεσμα το ένα να αδρανοποιείται σε μεγαλύτερο βαθμό από το άλλο. Πρόκειται και πάλι όμως για μία παράμετρο που επηρεάζει μόνο την αδρανοποίηση στον ποντικό, καθώς αντίστοιχα των Xce στον άνθρωπο δεν έχουν ανακαλυφθεί μέχρι σήμερα.

Στον ποντικό, τα διαφορετικά Xce αλληλόμορφα είναι ικανά να δημιουργούν παρεκκλίσεις στο συνολικό ποσοστό των πατρικών ή μητρικών χρωμοσωμάτων που αδρανοποιούνται κατά την διάρκεια της τυχαίας αδρανοποίησης. Το γεγονός ότι εντοπίζονται μέσα στο Xic του ποντικού οδήγησε τους επιστήμονες να πιστεύουν ότι κατά πάσα πιθανότητα υπάρχουν ανάλογα αλληλόμορφα και στον άνθρωπο. Πάνω σε αυτήν τη βάση ξεκίνησαν διάφορες έρευνες σχετικά με αποκλίσεις από την τυχαία αδρανοποίηση στον άνθρωπο. Όντως, στις έρευνες αυτές διαπιστώθηκε ότι στον φυσιολογικό γυναικείο πληθυσμό χωρίς γνωστές φυλοσύνδετες ασθένειες το 5-20% φαίνεται να παρουσιάζει σημαντικά φαινόμενα απόκλισης. Περίπου το 10% του γυναικείου πληθυσμού εμφανίζει αποκλίσεις που φτάνουν έως και 9:1 απόκλιση ως προς το ποιο χρωμόσωμα θα αδρανοποιηθεί στα περισσότερα κύτταρα. Παρόλο όμως που τα δεδομένα υποδεικνύουν μια φυλοσύνδετη γονιδιακή επίδραση, η ανάλυση των απλοτύπων δεν μπόρεσε να παρέχει καμία απόδειξη ότι αυτό ήταν αποτέλεσμα ενός ανθρώπινου ομολόγου των Xce.

Αντίθετα, τέτοιες έρευνες τονίζουν την ανάγκη ιδιαίτερης προσοχής κατά την απόδοση στα Xce περιπτώσεων απόκλισης που, τόσο στον άνθρωπο όσο και στον ποντικό, δεν έχουν σωστά χαρτογραφηθεί στο XIC/Xic. Οποιοσδήποτε γενετικός παράγοντας μεταβάλλει την στιγμή της αδρανοποίησης τον αριθμό των κυττάρων που θα αποτελέσουν αργότερα το έμβρυο, θα μπορούσε είτε άμεσα είτε έμμεσα να προκαλέσει μια τετοια απόκλιση.

Σ’αυτό το σημείο αξίζει να αναφέρουμε και κάτι άλλο ιδιαίτερα ενδιαφέρον. Στον ποντικό, παρόλο που τα αποτελέσματα των Xce μελετήθηκαν κυρίως στην τυχαία αδρανοποίηση, γρήγορα έγινε αντιληπτό ότι επηρεάζουν και την επιλεκτική. Ένα ισχυρό αλληλόμορφο Xce μπορεί να δράσει ανταγωνιστικά στην αποτυπωμένη έκφραση του πατρικού Xist στους εξωεμβρυϊκούς ιστούς. Σε διαφορετικά έμβρυα, η επίδραση των Xce εκδηλώνεται σαν είτε 100% έκφραση του πατρικού είτε σαν 100% έκφραση του μητρικού Xist. Πιο συγκεκριμένα, σε έρευνες που έχουν γίνει όταν το πατρικό Χ φέρει το πιο ισχυρό αλληλόμορφο Xce, ενώ κανονικά θα περιμέναμε να εκφράζεται αποκλειστικά το πατρικό Xist και ίσως και σε μικρές ποσότητες και το μητρικό λόγω της Xce απόκλισης, παρατηρούμε αντίθετα ότι σε ορισμένα έμβρυα εκφράζεται μόνο το πατρικό και σε άλλα μόνο το μητρικό!

Αυτά τα ευρήματα ταλαιπώρησαν αρκετά τους επιστήμονες. Ένας γονιδιακός τόπος που είχαν μέχρι τότε συνδέσει με την τυχαία αδρανοποίηση ήταν σε θέση να αναιρέσει την αποτύπωση της επιλεκτικής. Ορισμένοι επιστήμονες αμφισβήτησαν τα ευρήματα υποστηρίζοντας ότι οφείλονταν σε τεχνικό σφάλμα. Υπάρχουν όμως τουλάχιστον δύο έρευνες που το υποστηρίζουν. Σε κάθε περίπτωση πάντως, νεώτερες έρευνες έδειξαν ότι η υπερμεθυλίωση μιας περιοχής κοντά στο 3΄ άκρο του Xist ποικίλλει μεταξύ των διαφορετικών αλληλομόρφων Xce, υπαινίσσοντας ότι τα Xce μπορεί να επηρεάζουν άμεσα ή έμμεσα το πρότυπο μεθυλίωσης της περιοχής αυτής. Έχει, λοιπόν προταθεί ότι μία τέτοιου είδους μεθυλίωση μπορεί να προηγείται της επιλεκτικής αδρανοποίησης και κατά συνέπεια να σχετίζεται με την επιλογή του χρωμοσώματος που θα αδρανοποιηθεί. Έχει ενδιαφέρον όμως να παρατηρήσουμε πώς άλλο ένα αποκλειστικό χαρακτηριστικό του μηχανισμού που έχει καθιερωθεί στον ποντικό σχετίζεται με τη μη τυχαία αδρανοποίηση.

Η Drosophila melanogaster αποτελεί ένα πολύ δημοφιλές αντικείμενο έρευνας για τους σύγχρονους γενετιστές. Ένας από τους πολλούς μηχανισμούς που έχουν μελετηθεί με πρότυπο αυτό το έντομο είναι και η αντιστάθμιση του γονιδιακού πλεονάσματος μεταξύ των δύο φύλων. Εδώ παρατηρείται ένας εντελώς διαφορετικός τρόπος προσέγγισης του προβλήματος από τα θηλαστικά. Στην Drosophila, για να αντισταθμιστεί η έλλειψη ενός δεύτερου φυλετικού χρωμοσώματος απλούστατα διπλασιάζεται η μεταγραφική δραστηριότητα του μονού Χ των αρσενικών.

Αυτό που παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον είναι ότι και εδώ εμπλέκονται RNA που δεν μεταφράζονται, αλλά αλληλεπιδρούν ως έχει με άλλες πρωτεϊνες για να καθορίσουν το επίπεδο της μεταγραφικής δραστηριότητας των φυλετικών χρωμοσωμάτων. Τα RNA αυτά παρουσιάζουν ενδιαφέρουσες ομοιότητες και διαφορές με το Xist. Από την άλλη πλευρά, όμως, ο μηχανισμός της υπερμεταγραφής στην Drosophila ελέγχεται από τους μηχανισμούς καθορισμού του φύλου, σε αντίθεση με τα θηλαστικά όπου η αδρανοποίηση του Χ είναι ανεξάρτητη από τις φυλοκαθοριστικές διαδικασίες.

Για να παρουσιάσουμε σωστά λοιπόν την υπερμεταγραφή του μονού Χ, αξίζει να αναφέρουμε αρχικά λίγα λόγια για τον καθορισμό του φύλου στην Drosophila melanogaster. Έπειτα θα περιγραφεί ο βασικός μηχανισμός, και στο τέλος θα σχολιαστούν οι κυριότερες ομοιότητες και διαφορές του Xist με τα RNA που συναντάμε εδώ.

Στην Drosophila melanogaster συναντάμε δύο φύλα, το αρσενικό και το θηλυκό, τα οποία καθορίζονται από την παρουσία του ζεύγους ΧΥ ή ΧΧ στο γονιδίωμα του ατόμου. Βασικός ρυθμιστής των διαδικασιών που οδηγούν στην φυλετική διαφοροποίηση είναι το γονίδιο sex-lethal (sxl), το οποίο ουσιαστικά καθορίζει το φύλο, ενώ εμπλέκεται και στους μηχανισμούς αντιστάθμισης του πλεονάσματος των γονοσωμάτων στα θηλυκά άτομα. Ο μηχανισμός σε γενικές γραμμές δεν είναι ιδιαίτερα πολύπλοκος, αλλά διαφέρει σημαντικά από αυτόν των θηλαστικών.

Ξεκινώντας, πρέπει να τονίσουμε ότι το φύλο στην Drosophila δεν καθορίζεται από την παρουσία του Υ χρωμοσώματος, όπως στον άνθρωπο. Αντίθετα, καθορίζεται από την αναλογία των φυλετικών προς τα αυτοσωμικά χρωμοσώματα, η οποία συμβολίζεται Χ:Α. Όταν το άτομο διαθέτει ένα Χ χρωμόσωμα, η αναλογία θα είναι 1Χ:2Α και το άτομο αρσενικού φύλου. Όταν αντίθετα διαθέτει δύο Χ χρωμοσώματα, η αναλογία θα είναι 2Χ:2Α και το άτομο γένους θηλυκού.

	Φυλετικά χρωμοσώματα
	ΧΧ	ΧΥ	ΧΧΥ	ΧΟ
Άνθρωπος	θηλυκό	αρσενικό	αρσενικό	θηλυκό
Drosophila	θηλυκό	αρσενικό	θηλυκό	αρσενικό

Την ευθύνη της «αντίληψης» αυτής της αναλογίας φέρουν δύο γονίδια με το όνομα sisterless-a (sis-a) και sisterless-b (sis-b). Τα γονίδια sis αναλαμβάνουν να πληροφορήσουν το κύτταρο πόσα αντίγραφα του Χ χρωμοσώματος διαθέτει σε σχέση με τα αυτοσωμικά, με λίγα λόγια την ακριβή τιμή της αναλογίας Χ:Α. Όντως, σε πειράματα που έχουν γίνει, έχει διαπιστωθεί ότι η προσθήκη ενός επιπλέον ζεύγους γονιδίων sis στα αρσενικά άτομα ενεργοποιεί τους θηλυκούς γονιδιακούς μηχανισμούς και το αντίστροφο.

Όπως αναφέραμε όμως και προηγουμένως, ο βασικός παράγοντας καθορισμού του φύλου είναι το γονίδιο sxl. Το προϊόν του γονιδίου αυτού εντοπίζεται αποκλειστικά στα θηλυκά άτομα του είδους και είναι αυτό που σηματοδοτεί την έναρξη των διεργασιών για τον σχηματισμό ενός πλήρους θηλυκού ατόμου. Ονομάστηκε sex-lethal διότι η παρουσία του σε ενεργό μορφή στα αρσενικά άτομα προκαλούσε τον θάνατό τους, είναι δηλαδή ασυμβίβαστο με την φυσιολογική ανάπτυξη ενός αρσενικού ατόμου.

Το γονίδιο sxl διαθέτει δύο υποκινητές, οι οποίοι έχουν ονομαστεί PE και PL. Ο υποκινητής PE χρησιμοποιείται κατά τα πρώιμα στάδια της ανάπτυξης. Στο στάδιο αυτό, το προϊόν των γονιδίων sis σε συνδυασμό με το προϊόν του γονιδίου daughterless (da), το οποίο παρέχεται έτοιμο από τη μητέρα και όχι από το αναπτυσσόμενο έμβρυο, καθορίζουν αν θα αρχίσει να εκφράζεται το γονίδιο sxl. Τα γονίδια αυτά δρουν στο στάδιο της μεταγραφής, σαν μεταγραφικοί παράγοντες που αλληλεπιδρούν με τον PE. Όταν τα γονίδια sis δίνουν σήμα για την παρουσία μιας αναλογίας 2Χ:2Α ο υποκινητής PE ενεργοποιείται και αρχιζει η δημιουργία μιας πρώιμης μορφής της πρωτεϊνης sxl. Αυτός ο πρόωρος sxl παράγοντας παράγεται πάντα όταν χρησιμοποιείται ο υποκινητής PE και διαφέρει από το κανονικό sxl γονιδιακό προϊόν που συναντάμε στα ενήλικα άτομα.

Μεταγραφική δραστηριότητα του γονιδίου sxl στα πρώτα στάδια της εμβρυϊκής ανάπτυξης παρατηρείται μόνο στα θηλυκά έμβρυα. Απαραίτητα στοιχεία για την εκδήλωσή της αποτελούν τόσο τα γονίδια sis στην σωστή αναλογία, όσο και το γονίδιο da που συνεργάζεται μαζί τους για την αλληλεπίδραση με τον υποκινητή PE. Αν το προϊόν του γονιδίου αυτού λείπει από τη μητέρα, το γονίδιο sxl δεν ενεργοποιείται στους απογόνους της με καταστροφικές συνέπειες για τα θηλυκά έμβρυα.

Λίγο μετά την ενεργοποίηση του PE στα θηλυκά έμβρυα παρατηρείται ενεργοποίηση του PL τόσο στα θηλυκά όσο και στα αρσενικά έμβρυα και απενεργοποίηση του PE στα θηλυκά. Ο ρόλος του πρώιμου sxl σε αυτήν τη διαδικασία είναι ότι ξεκινά έναν κύκλο αυτορυθμιζόμενης θετικής ανατροφοδότησης (autoregulatory positive feedback loop) κατά τον οποίο καταλύει την συρραφή των εξωνίων του hnRNA (heteronuclear RNA) του sxl κατά τρόπο ειδικό για τα θηλυκά άτομα. Πιο απλά, η παρουσία του πρώιμου sxl στο κύτταρο καθοδηγεί το hnRNA του sxl που προκύπτει από τον δεύτερο υποκινητή να συρραφεί στα θηλυκά άτομα με διαφορετικό τρόπο από ότι στα αρσενικά. Μετά την απενεργοποίηση του πρώιμου υποκινητή τον ίδιο ρόλο αναλαμβάνει στη θέση του το ώριμο sxl των θηλυκών, προϊόν της επιλεκτικής συρραφής. Μ’αυτό τον τρόπο διατηρείται σταθερή η έκφραση του sxl. Στα αρσενικά έμβρυα, αντίθετα, ο υποκινητής PL ενεργοποιείται και παράγεται το ίδιο hnRNA με τα θηλυκά, αλλά η έλλειψη έτοιμων πρωτεϊνών sxl επιτρέπει στη συρραφή των εξωνίων να γίνεται ελεύθερα, με αποτέλεσμα αμέσως μετά το σήμα έναρξης να προστίθεται ένα εξώνιο με σήμα λήξης της μεταγραφής μέσα στο πλαίσιο ανάγνωσης. Ένα τέτοιο mRNA παράγει ένα μικρό μη λειτουργικό προϊόν και ουσιαστικά το γονίδιο sxl φαίνεται να παραμένει ανενεργό.

Η ρύθμιση του sxl είναι πρωτεύουσας σημασίας καθώς ο sxl στη συνέχεια αλληλεπιδρά με μια σειρά ρυθμιστικών γονιδίων που συμμετέχουν σε βασικούς μηχανισμούς καθορισμού του φύλου και αντιστάθμισης του γονιδιακού πλεονάσματος. Πιο συγκεκριμένα, απενεργοποιεί το γονίδιο msl-1 που συμμετέχει στο σύμπλοκο msl, όπως θα συζητηθεί παρακάτω. Επίσης ενεργοποιεί το γονίδιο transformer (tra) που καθορίζει την «θηλυκότητα», ενώ αλληλεπιδρά και με τα γονίδια doublesex και fruitless που καθορίζουν την φυλετικά διαφοροποιούμενη μορφολογία και συμπεριφορά αντίστοιχα.

Ο μηχανισμός της αντιστάθμισης του γονιδιακού πλεονάσματος στην Drosophila melanogaster

Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, στην Drosophila βασικοί ρυθμιστές του φύλου είναι τα Χ χρωμοσώματα. Το Υ χρωμόσωμα περιέχει πολύ λίγα γονίδια των οποίων η δράση περιορίζεται στη γονιμότητα των αρσενικών. Τα περισσότερα γονίδια όμως στο Χ χρωμόσωμα δεν σχετίζονται με τον καθορισμό του φύλου, αλλά εμπλέκονται σε σημαντικές κυτταρικές και αναπτυξιακές λειτουργίες και επομένως είναι αναγκαίο να υπάρχουν σε ισότιμα επίπεδα και στα δύο φύλα. Εδώ υπεισέρχεται ο μηχανισμός αντιστάθμισης του γονιδιακού πλεονάσματος, ο οποίος είναι υπεύθυνος για τον διπλασιασμό της μεταγραφικής δραστηριότητας όλων σχεδόν των γονιδίων στο Χ χρωμόσωμα του αρσενικού ατόμου. Έξι πρωτεϊνες λαμβάνουν μέρος σ’αυτήν τη διαδικασία, σχηματίζοντας ένα σύμπλοκο γνωστο ως male-specific-lethal ή msl. Οι πρωτεϊνες αυτές είναι οι mle, msl-1, msl-2, msl-3, mof και jil-1. Μαζί με δύο RNA, τα roX1 και roX2, σχηματίζουν ένα ενεργό ριβονουκλεοπρωτεϊνικό σύμπλοκο που αλληλεπιδρά ισχυρά με το μοναδικό Χ χρωμόσωμα. Αποτέλεσμα αυτής της αλληλεπίδρασης είναι ο εμπλουτισμός του Χ με H4Ac16, μια ειδική μορφή ακετυλιωμένης ιστόνης, που μεταβάλλει τη δομή της χρωματίνης, οδηγώντας σε αυξημένη και πιο αποτελεσματική μεταγραφή των γονιδίων στο Χ χρωμόσωμα.

Βασικό στοιχείο λοιπόν του μηχανισμού είναι το σύμπλοκο msl, οπότε ας πάρουμε τα πράγματα από την αρχή.

Τον πυρήνα του συμπλόκου αυτού αποτελούν οι πρωτεϊνες msl-1 και msl-2. Το γονίδιο msl-2 μεταγράφεται και στα δύο φύλα με τον ίδιο ρυθμό, με αποτέλεσμα το αντίστοιχο mRNA να υπάρχει και στα δύο φύλα σε ίδια επίπεδα. Ωστόσο, η παρουσία του sxl στα θηλυκά άτομα δεν του επιτρέπει να μεταφραστεί σε πρωτεϊνη. Αυτό επιτυγχάνεται με τη σύνδεση του sxl σε μια περιοχή πλούσια σε αλληλουχίες U στην 5’UTR του mRNA, οπότε κατά την συρραφή δεν αφαιρείται, όπως θα έπρεπε, ένα μικρό ιντρόνιο στην περιοχή αυτή, καθώς και με τη σύνδεσή του σε ειδικές θέσεις στην 3’UTR, οπότε το mRNA δεν καταφέρνει να μεταφραστεί. Κατά συνέπεια, παρόλο που το γονίδιο είναι ενεργό και στα δύο φύλα, η πρωτεϊνη ανιχνεύεται μόνο στα αρσενικά.

Κάτι παρόμοιο φαίνεται να συμβαίνει και με την πρωτεϊνη msl-1. Τα επίπεδα του mRNA του είναι ίδια και στα δύο φύλα, αλλά η πρωτεϊνη εντοπίζεται μόνο στα αρσενικά άτομα, ενώ στα θηλυκά είτε λείπει τελείως είτε τα επίπεδά της είναι πολύ χαμηλά. Σε αντίθεση με την msl-2, όμως, η msl-1 δεν ρυθμίζεται μόνο από τον sxl, αλλά και από την ίδια την msl-2, η οποία είναι απαραίτητη για να ανιχνεύσουμε την msl-1 στο αρσενικό έμβρυο. Δεν γνωρίζουμε ακριβώς αν η msl-2 σταθεροποιεί την msl-1 ή αν συμβάλλει με κάποιον τρόπο στη μετάφρασή της, είναι όμως σίγουρο ότι συμβάλλει στη ρύθμισή της. Μ’αυτόν τον τρόπο, οι δύο αυτές πρωτεϊνες που αποτελούν τον πυρήνα του συμπλόκου εντοπίζονται μόνο στα αρσενικά άτομα, ώστε ο μηχανισμός της υπερμεταγραφής να ενεργοποιείται μόνο για το μονό Χ των αρσενικών. Ο βασικός τους ρόλος είναι να αλληλεπιδρούν ασθενώς με 35 περίπου θέσεις κατά μήκος του Χ χρωμοσώματος και να συγκεντρώνουν εκεί και το υπόλοιπο σύμπλοκο msl. Οι θέσεις αυτές ονομάστηκαν chromatin entry sites (ces) ή θέσεις εισόδου στη χρωματίνη. Δύο από τις θέσεις αυτές είναι και τα γονίδια των rox1 και roX2, ειδικά όμως για την αλληλεπίδραση με τις δύο αυτές θέσεις απαιτείται και η παρουσία της πρωτεϊνης mle. Το επόμενο βήμα στη συγκρότηση του συμπλόκου msl αποτελεί η εμπλοκή της πρωτεϊνης maleless (mle) και των roX (RNA on X). Η πρωτεϊνη mle είναι παρούσα και στα δύο φύλα, αλλά η δράση της ουσιαστικά αξιοποιείται στα αρσενικά άτομα, όπου συμμετέχει ενεργά στην γονιδιακή αντιστάθμιση. Έχει δράση DNA-DNA, RNA-DNA και RNA-RNA ελικάσης. Αλληλεπιδρά με τον πυρήνα των msl-1 και msl-2 και τον συνδέει με τα roX RNA, ενώ παράλληλα ισχυροποιεί και τη σύνδεσή του με το DNA στις 35 θέσεις εισόδου. Είναι δε απαραίτητη για τη σύνδεση του ατελούς συμπλόκου msl με τις θέσεις εισόδου που αποτελούν τα γονίδια των roX1 και roX2.

Από την άλλη πλευρά, τα roX έχουν απασχολήσει αρκετά τους επιστήμονες με την ιδιότυπη συμπεριφορά τους. Ακόμη και αν το γονίδιό τους ενεργοποιηθεί στα θηλυκά άτομα, το προϊόν του είναι ασταθές και εξαιρετικά βραχύβιο, καθώς είναι απαραίτητη η σύνδεσή τους με το σύμπλοκο msl για να σταθεροποιηθούν. Έτσι, παρόλο που πριν τη χρονική περίοδο της δημιουργίας του msl στα αρσενικά, το roX1 εντοπίζεται και στα δύο φύλα, ουσιαστικά τα δύο αυτά είδη RNA ανιχνεύονται μόνο στο αρσενικό ενήλικο άτομο. Επιπλέον, αν και είναι πλήρως διαμορφωμένα mRNA, σπάνια εντοπίζονται στο κυτταρόπλασμα αλλά βρίσκονται σχεδόν πάντα στον πυρήνα, όπου λαμβάνουν χώρα και αυτές οι διεργασίες. Τα roX1 και roX2 δεν μεταφράζονται, αλλά συμμετέχουν ως έχει, και αυτό ίσως αποτελεί μια ερμηνεία για την παραμονή τους στον πυρήνα. Τέλος, υπάρχει ένα ακόμη στοιχείο που έχει προβληματίσει τους επιστήμονες. Έχει αποδειχθεί ότι η παρουσία και των δύο δεν είναι πάντοτε απαραίτητη, με λίγα λόγια, αν λείπει το roX1 είναι αρκετή η παρουσία του roX2 για να συγκροτηθεί ένα πλήρως λειτουργικό σύμπλοκο msl και να ολοκληρωθεί η διαδικασία. Η μελέτη, όμως της αλληλουχίας τους δείχνει ότι δεν έχουν κοινές αλληλουχίες. Αν αυτό όντως ισχύει, τότε ποια περιοχή τους θα μπορούσε να έχει τέτοια κοινή δράση ώστε να μπορεί το ένα να αντικαθιστά την έλλειψη του άλλου;

Η απόδειξη ότι τα roX αποτελούν μέρος του msl συμπλόκου προήλθε από τη μελέτη της κατανομής τους στον πυρήνα, καθώς δεν άργησε να αποδειχθεί ότι είχαν την ίδια ακριβώς κατανομή με τις άλλες πρωτεϊνες του συμπλόκου στο Χ των αρσενικών. Όταν τουλάχιστον ένα από τα roX1 και roX2 συνδέεται με τον πυρήνα των msl-1 και msl-2 μέσω της mle, τότε το ατελές ακόμη σύμπλοκο msl αλληλεπιδρά ισχυρά με τις ~35 θέσεις εισόδου, συμπεριλαμβανομένων και των θέσεων των γονιδίων των roX1 και roX2.

Τέλος, η προσθήκη στο σύμπλοκο των τριών τελευταίων στοιχείων του το καθιστά πλήρως ενεργό. Αυτά δεν είναι άλλα από τις πρωτεϊνες msl-3, mof και jil-1.

Η msl-3 έχει την ιδιότητα να αλληλεπιδρά με τη χρωματίνη, ενώ η mof (males absent on the first) έχει δράση ακετυλοτρανσφεράσης της ιστόνης Η4. Υπάρχει επίσης και η jil-1, η οποία έχει ανακαλυφθεί προσφάτως ως τμήμα αυτού του μηχανισμού και δεν αναγνωρίζεται από όλους τους ερευνητές ακόμη. Η jil-1 δρα ως φωσφορυλάση της ιστόνης Η3. Με την προσθήκη των πρωτεϊνών αυτών, το σύμπλοκο γίνεται ενεργό και αρχίζει να εξαπλώνεται από τις 35 θέσεις εισόδου σε ολόκληρο το χρωμόσωμα,. Έτσι, δημιουργούνται εκατοντάδες δευτερεύουσες θέσεις εισόδου στη χρωματίνη, και το σύμπλοκο είναι σε θέση να ασκήσει τη δράση του, διπλασιάζοντας την ενεργότητα των γονιδίων του χρωμοσώματος.

Αποτέλεσμα της δράσης του συμπλόκου msl είναι φυσικά η υπερμεταγραφή όλων σχεδόν των γονιδίων που βρίσκονται στο Χ χρωμόσωμα του αρσενικού. Με ποιον τρόπο όμως επιτυγχάνεται αυτό;

Η πιο ευρέως διαδεδομένη άποψη σήμερα υποστηρίζει ότι η αύξηση της μεταγραφικής δραστηριότητας των γονιδίων οφείλεται στην ακετυλίωση της ιστόνης Η4 που συμβολίζεται Η4Ac16 διότι , σε αντίθεση με τη συνηθισμένη μορφή ακετυλίωσης, γίνεται στη λυσίνη 16 της ιστόνης. Είναι ήδη γνωστό ότι πρότυπα υπερακετυλίωσης της ιστόνης Η4 συνοδεύονται από άνοιγμα της χρωματίνης και αύξηση της έκφρασης των γονιδίων. Όντως, η παρουσία της στο Χ χρωμόσωμα των αρσενικών μεταβάλλει το αποτέλεσμα των γονιδιακών ρυθμιστικών μηχανισμών, με αποτέλεσμα η βασική τους έκφραση να διπλασιάζεται. Αυτό όμως που έχει ιδιαίτερο ενδιαφέρον είναι ότι η Η4Ac16 δεν εντοπίζεται πουθενά αλλού, ούτε στα αυτοσωμικά χρωμοσώματα, ούτε στα Χ χρωμοσώματα του θηλυκού, γεγονός που συνηγορεί υπέρ της άποψης ότι πρόκειται για έναν αποκλειστικό ρυθμιστικό μηχανισμό της αντιστάθμισης των γονιδιακών προϊόντων στους αρσενικούς απογόνους της Drosophila.

Σ’αυτό το σημείο βέβαια οφείλουμε να σχολιάσουμε και κάτι ακόμη. Σε αντίθεση με την αδρανοποίηση του Χ, ο μηχανισμός που παρατηρείται στην Drosophila δεν εξαρτάται από ένα μόνο γονίδιο που εδράζεται στο ίδιο το Χ. Ελέγχεται από πολλά γονίδια που προέρχονται και από άλλα χρωμοσώματα, και τα οποία αναγνωρίζουν την περιοχή δράσης τους στο Χ μέσω μιας σειράς θέσεων εισόδου. Κατά συνέπεια, η μετατόπιση ενός τμήματος του Χ χρωμοσώματος του αρσενικού σε ένα αυτόσωμα θα έχει σαν αποτέλεσμα το φαινόμενο αυτό να εξακολουθεί να δρα πάνω στο μετατοπιζόμενο τμήμα ακόμη και στη νέα του θέση, αρκεί αυτό να περιέχει τουλάχιστον μία θέση εισόδου. Είναι δυνατόν μάλιστα, λόγω της εξάπλωσης της δράσης του συμπλόκου και ανάμεσα στις θέσεις εισόδου, να επηρεάσει και τα γειτονικά γονίδια του χρωμοσώματος που το φιλοξενεί. Το αντίστροφο μπορεί να συμβεί και κατά τη μετατόπιση τμήματος ενός αυτοσωμικού χρωμοσώματος στο Χ. Το έκτοπο τμήμα θα υποστεί και αυτό υπερμεταγραφή λόγω της εξάπλωσης των συμπλόκων msl από τις περιοχές του Χ με τις οποίες συνορεύει. Μ’αυτόν τον τρόπο, μια τέτοια μετατόπιση μπορεί να μεταβάλλει την ενεργότητα αρκετών γονιδίων.

Τέλος, όπως και στην αδρανοποιήση του Χ, υπάρχουν ορισμένα γονίδια που διαφεύγουν από όλο τον παραπάνω μηχανισμό. Το πιο βασικό είναι το γονίδιο Lsp-1a, το οποίο έχει ομόλογα και στα αυτοσωμικά χρωμοσώματα. Αξίζει επίσης να αναφέρουμε και το γονίδιο Runt, το οποίο όμως υπόκειται σε αντιστάθμιση του γονιδιακού πλεονάσματος μετά τη μετάφραση από την πρωτεϊνη sxl στα θηλυκά άτομα, καθώς και κάποιες ομάδες μεγάλων γονιδίων ριβοσωμικού RNA που υπάρχουν τόσο στο Χ όσο και στο Υ, με αποτέλεσμα να μην υπάρχει ανάγκη δράσης του msl.

Ομοιότητες και διαφορές μεταξύ των Xist και roX

Από την πρώτη στιγμή που ανακαλύφθηκε ο ρόλος των roX στην αντιστάθμιση του γονιδιακού πλεονάσματος στη Drosophila, οι επιστήμονες παρατήρησαν ότι τα μη μεταφραζόμενα αυτά mRNA παρουσιάζουν μοναδικές ομοιότητες με το Xist των θηλαστικών. Η σύγκριση γίνεται αυτόματα και ανακαλύπτουμε ότι όντως αυτά τα δύο παρουσιάζουν αρκετά κοινά στοιχεία. Πρόκειται, εξάλλου, και στις δύο περιπτώσεις για RNA που υπόκεινται σε συρραφή και πολυαδενυλίωση, αλλά δε βγαίνουν ποτέ από τον πυρήνα και δρουν ως RNA, χωρίς δηλαδή να διαθέτουν κάποιο πλαίσιο ανάγνωσης και να μεταφράζονται σε πρωτεϊνη.

Καταρχήν, αποτελούν τα μόνα γνωστά RNA με την ιδιότητα να εξαπλώνονται κατά μήκος ενός χρωμοσώματος από τον τόπο της σύνθεσής τους, παρόλο που δεν φαίνεται να υπάρχει κάποια εξελικτική συγγένεια μεταξύ των δύο. Έπειτα, έχουν και τα δύο την ιδιότητα να «υπερπηδούν» γονίδια κατά μήκος της εξάπλωσής τους, εξαιρώντας τα από την διαδικασία της αντιστάθμισης του γονιδιακού πλεονάσματος. Τέλος, έχουν την ικανότητα να διατηρούν τη δράση τους ακόμη και όταν το γονίδιό τους μεταφερθεί σε αυτόσωμα, επεκτείνοντάς τη μάλιστα στο χρωμόσωμα που τα φιλοξενεί.

Από την άλλη πλευρά, όμως, υπάρχουν και μερικές βασικές διαφορές. Τα roX RNA εξαπλώνονται γύρω από τις ~35 θέσεις εισόδου στα 25 Mb συνολικά του Χ της Drosophila. Αντίθετα, το RNA του Xist είναι υποχρεωμένο να εξαπλωθεί σε περισσότερο από 100 Mb γύρω από τη μία και μοναδική θέση σύνθεσής του στο Χ των θηλαστικών. Επίσης, τα roX μπορούν να δράσουν και in trans, αρκεί να υπάρχουν σ’ένα σημείο οι κατάλληλες θέσεις εισόδου. Το Xist, όμως, στα θηλαστικά πρέπει να αδρανοποιήσει μόνο το ένα από τα δύο Χ. Έτσι, μπορεί να δράσει μόνο in cis, για να μην εξαπλωθεί κατά λάθος και στα δύο Χ. Εξάλλου, υπάρχουν δύο ειδών roX, τα roX1 και roX2, τα οποία μάλιστα μπορούν να αντικαταστήσουν το ένα το άλλο χωρίς να είναι όμοια, ενώ υπάρχει μόνο ένα Xist.

Ο τρίτος βασικός μηχανισμός που αποτέλεσε αντικείμενο μελέτης των επιστημόνων υπήρξε φυσικά η υπομεταγραφή και των δύο Χ που παρατηρήθηκε στον Caenorhabditis elegans. Το χαρακτηριστικό αυτού του είδους είναι ότι τα άτομα με δύο Χ χρωμοσώματα είναι ερμαφρόδιτα αντί για θηλυκά. Στα άτομα αυτά η έκφραση των γονιδίων και των δύο Χ χρωμοσωμάτων μειώνεται στο μισό, ώστε αυτή να εξισορροπηθεί με την έκφραση των γονιδίων από το μοναδικό Χ των αρσενικών.

Ο μηχανισμός αντιστάθμισης του γονιδιακού πλεονάσματος του C.elegans παρουσιάζει επιπλέον ενδιαφέρον εξαιτίας του γεγονότος ότι, όντας κατώτερος από εξελικτικής απόψεως, μπορεί να μας δώσει στοιχεία για την εξέλιξη πολλών παρόμοιων μηχανισμών. Πιο συγκεκριμένα, για την υπομεταγραφή στον Caenorhabditis elegans χρησιμοποιούνται τόσο πρωτεϊνες που υπάρχουν μόνο στα ερμαφρόδιτα άτομα και είναι αρμόδιες μόνο για αυτήν τη διεργασία, όσο και πρωτεϊνες που εντοπίζονται και στα δύο φύλα και διαθέτουν και άλλους ρόλους μέσα στο κύτταρο. Φαίνεται πως ο αρχικός ρόλος των δεύτερων ήταν διαφορετικός, αλλά επιστρατεύτηκαν κατά την διάρκεια της εξέλιξης για να εξασφαλίσουν την επιβίωση του ετερογαμετικού πλέον C.elegans και είναι πολύ πιθανό ότι και πολλοί μηχανισμοί του ανθρώπου εξελίχτηκαν με τον ίδιο τρόπο.

Επίσης, ο C.elegans, όπως και η Drosophila, έχει έναν ιδιαίτερο μηχανισμό καθορισμού του φύλου που σχετίζεται άμεσα με το μηχανισμό της υπομεταγραφής. Είναι απαραίτητο λοιπόν και εδώ να αναφερθούμε πρώτα με συντομία στις βασικές φυλοκαθοριστικές διεργασίες, ώστε να γίνει καλύτερα αντιληπτή η διαδικασία της γονιδιακής αντιστάθμισης. Στη συνέχεια, θα περιγραφεί με λεπτομέρειες πώς ο ερμαφρόδιτος οργανισμός ρυθμίζει την έκφραση των φυλοσύνδετων γονιδίων του. Στο τέλος περιγράφονται και οι υπόλοιπες αρμοδιότητες ορισμένων από τις βασικές πρωτεϊνες που εμπλέκονται στις διαδικασίες αυτές.

Τα περισσότερα άτομα αυτού του είδους είναι ερμαφρόδιτα, εξοπλισμένα τόσο με όρχεις όσο και με ωοθήκες. Στο στάδιο της προνύμφης παράγουν σπερματοζωάρια τα οποία αποθηκεύονται για αργότερα. Αντίθετα, οι ωοθήκες του ενήλικου elegans παράγουν ωοκύτταρα τα οποία γονιμοποιούνται από τα αποθηκευμένα σπερματοζωάρια καθώς μεταναστεύουν προς τη μήτρα.

Η αυτογονιμοποίηση παράγει σχεδόν πάντα ερμαφρόδιτους απογόνους, καθώς όλοι οι γαμέτες διαθέτουν από ένα Χ χρωμόσωμα (όπως τα ωοκύτταρα των θηλυκών στους υπόλοιπους οργανισμούς). Μ’αυτόν τον τρόπο, ωστόσο, τα υπολειπόμενα γονίδια έχουν περισσότερες πιθανότητες να γίνουν ομόζυγα και να εκφράσουν τις ιδιότητές τους. Όταν κάποιες φορές, λόγω λάθους διαχωρισμού των Χ χρωμοσωμάτων κατά τη μείωση και την παραγωγή γαμετών, προκύψει γαμέτης χωρίς Χ, το αντίστοιχο άτομο θα διαθέτει μόνο ένα Χ χρωμόσωμα και θα είναι αρσενικό. Πράγματι, το 20% των απογόνων των ερμαφρόδιτων είναι αρσενικά άτομα. Τα αρσενικά αυτά μπορούν να ζευγαρώσουν με τα ερμαφρόδιτα και, επειδή τα σπερματοζωάριά τους διαθέτουν ένα ανταγωνιστικό πλεονέκτημα έναντι των ενδογενών σπερματοζωαρίων των ερμαφρόδιτων, το αποτέλεσμα τέτοιων διασταυρώσεων είναι 50% αρσενικοί απόγονοι και 50% ερμαφρόδιτοι.

Αξίζει ακόμη να αναφέρουμε ότι σε συγγενικά τους είδη, τα άτομα με ΧΧ είναι θηλυκά, υποδεικνύοντας ότι τα ερμαφρόδιτα άτομα αποτελούν εξέλιξη των θηλυκών. Όντως, η σωματική κατασκευή των θηλυκών και ερμαφρόδιτων ατόμων είναι η ίδια, μόνο που τα ερμαφρόδιτα παράγουν και σπερματοζωάρια νωρίς στην ανάπτυξή τους, προτού στραφούν στην παραγωγή ωοκυττάρων. Υπάρχει ακόμη και μια επικρατής μετάλλαξη, το γονίδιο tra-1D, που μετατρέπει τα ΧΧ ή ΧΟ άτομα σε γόνιμα θηλυκά. Σε αποικίες με ένα τέτοιο αλληλόμορφο είναι δυνατό να υπάρχουν τρία διαφορετικά αναπαραγωγικά ενεργά φύλα.

Ο νηματοσκώληκας Caenorhabditis elegans εμφανίζει κατά κύριο λόγο δύο φυλετικούς τύπους: ερμαφρόδιτο και αρσενικό. Τα ερμαφρόδιτα άτομα διαθέτουν δύο Χ χρωμοσώματα (ΧΧ), ενώ τα αρσενικά ένα Χ χρωμόσωμα (ΧΟ), χωρίς να υπάρχει κάποιο αντίστοιχο του Υ όπως έχουμε συνηθίσει για τους περισσότερους οργανισμούς. Αντίθετα, το φύλο καθορίζεται από την αναλογία των Χ χρωμοσωμάτων προς τα αυτοσωμικά (Χ:Α), όπως άλλωστε το συναντήσαμε και στην Drosophila melanogaster.

Ο βασικός παράγοντας καθορισμού του φύλου είναι το γονίδιο xol-1 (XO lethal), το οποίο είναι ενεργό στα αρσενικά άτομα και ανενεργό στα ερμαφρόδιτα. Η σωστή ρύθμιση του xol-1 είναι απαραίτητη για την επιβίωση του ατόμου, καθώς ο xol-1 εκτός από τον καθορισμό του φύλου εμπλέκεται και στους μηχανισμούς αντιστάθμισης του γονιδιακού πλεονάσματος. Ας δούμε όμως με περισσότερες λεπτομέρειες τι συμβαίνει.

Οι επιστήμονες σήμερα θεωρούν ότι υπάρχουν 5 γονίδια πάνω στο Χ τα οποία ενημερώνουν το κύτταρο για το πόσα Χ χρωμοσώματα διαθέτει. Τα γονίδια αυτά ονομάστηκαν συνολικά X-signal elements και μεταφέρουν τη γνώση του αριθμού των Χ χρωμοσωμάτων στη ρύθμιση των επιπέδων του xol-1 με τουλάχιστον δύο διαφορετικούς τρόπους. Με λίγα λόγια, έχουν ανακαλυφθεί τουλάχιστον δύο διαφορετικοί μηχανισμοί με τους οποίους τα επίπεδα των γονιδίων αυτών καθορίζουν την έκφραση του xol-1.

Ο πρώτος μηχανισμός συνίσταται στη μεταγραφική καταστολή του xol-1 στα έμβρυα με δύο Χ μέσω ενός πυρηνικού ορμονικού υποδοχέα, της πρωτεϊνης sex-1 (signal element on X). H sex-1 δρα κατευθείαν επάνω στο xol-1 συνδεόμενη με τον υποκινητή του in vivo, με αποτέλεσμα την καταστολή της μεταγραφής του xol-1 στα ΧΧ έμβρυα. Έτσι, το γονίδιο xol-1 είναι ο άμεσος μοριακός στόχος αυτού του πρωτογενούς φυλοκαθοριστικού σήματος, και τα επίπεδα της sex-1 αποτελούν ένα σημαντικό συνδετικό κρίκο ανάμεσα στον αριθμό των Χ χρωμοσωμάτων και την έκφραση του xol-1.

Ο δεύτερος μηχανισμός δρα στο πλαίσιο της μετα-μεταγραφικής τροποποίησης του xol-1 και απαιτεί την παρουσία της πρωτεϊνης fox-1 (feminizing locus on X), μια πρωτεϊνη με την ιδιότητα να δεσμεύει RNA. Η fox-1 δεσμεύεται σε ένα ιντρόνιο του μετάγραφου, με αποτέλεσμα να εμποδίζεται η σωστή συρραφή των εξωνίων του mRNA του και να μην παράγεται η λειτουργική μορφή του xol-1. Και σε αυτήν την περίπτωση, μεγάλη σημασία έχει η ποσότητα της fox-1, καθώς είναι αυτή που μεταφέρει το σήμα για τον αριθμό των Χ.

Οι δύο αυτοί εναλλακτικοί μηχανισμοί συνεργάζονται για τη σωστή ρύθμιση του xol-1. Τυχόν απώλεια ενός από τους δύο αντισταθμίζεται από την αύξηση της λειτουργικότητας του άλλου. Τέτοιοι πολυγονιδιακοί ρυθμιστικοί μηχανισμοί μπορούν να χρησιμεύσουν και σαν μοντέλα για τη μελέτη πολύπλοκων ανθρώπινων κληρονομήσιμων χαρακτήρων. Γι’αυτόν το λόγο, οι έρευνες των επιστημόνων συγκεντρώνονται στην ταυτοποίηση και των υπόλοιπων X-signal elements, καθώς και στην ταυτοποίηση των αυτοσωμικών στοιχείων που, μαζί με τα X-signal elements, παρέχουν στο κύτταρο επίγνωση της τιμής της αναλογίας Χ:Α.

Με τη σειρά του, ο xol-1 αναστέλλει την έκφραση μιας σειράς γονιδίων με την ονομασία sdc (sex determination and dosage compensation), τα οποία είναι υπεύθυνα για την εκδήλωση του ερμαφροδιτικού φαινοτύπου, αλλά και για την ενεργοποίηση του μηχανισμού της υπομεταγραφής των γονιδίων στα δύο Χ των ερμαφρόδιτων ατόμων. Από τα γονίδια αυτά σήμερα γνωρίζουμε ότι η πρωτεϊνη sdc-1 δεν δρα απαραιτήτως στα κύτταρα όπου παράγεται, αλλά εκκρίνεται στον οργανισμό του C.elegans. Επίσης οι πρωτεϊνες sdc-1 και sdc-2 διαθέτουν μια ενιαία πρωτεϊνική περιοχή αλληλεπίδρασης με τους μηχανισμούς καθορισμού του φύλου και γονιδιακής αντιστάθμισης. Αντίθετα, η sdc-3 διαθέτει ξεχωριστές περιοχές αλληλεπίδρασης με τους δύο αυτούς μηχανισμούς. Αυτό όμως που είναι κοινό και στις τρεις πρωτεϊνες είναι ότι αναστέλλουν την έκφραση του γονιδίου her-1.

Εικόνα 4.2.12 Ο xol-1 ρυθμίζει τον καθορισμό του φύλου και την αντιστάθμιση του γονιδιακού πλεονάσματος

Στο σημείο αυτό χωρίζουν οι δρόμοι του καθορισμού του φύλου και της υπομεταγραφής των Χ. Η her-1, η οποία επίσης εκκρίνεται αντί να δρα μέσα στο κύτταρο, όπως και η sdc-1, ρυθμίζει μια σειρά γονιδίων με την ονομασία tra και fem. Τα γονίδια tra παραμένουν ενεργά στα ερμαφρόδιτα άτομα και αναστέλλουν την έκφραση των γονιδίων her, τα οποία με τη σειρά τους παραμένουν ενεργά στα αρσενικά άτομα και αναστέλλουν την έκφραση των tra.

Η σειρά που τα διάφορα γονίδια λαμβάνουν μέρος στην διεργασία καθορισμού του φύλου καθορίστηκε έπειτα από μια σειρά μελετών. Όλοι συμφωνούσαν ότι το tra-1 είναι αυτό που τελικά καθορίζει το φύλο. Σύμφωνα λοιπόν με ένα από τα πιο σύγχρονα μοντέλα, το γονίδιο tra-2, αντί για κάποιου είδους ρυθμιστικό παράγοντα, κωδικοποιεί μια μεμβρανική πρωτεϊνη με πολλές διαμεμβρανικές περιοχές. Επιπλέον, το mRNA του έχει βρεθεί (αν και σε διαφορετικές ποσότητες) και στα δύο φύλα. Έτσι θεωρήθηκε ότι οι πρωτεϊνες fem-1, fem-2 και fem-3 σχηματίζουν ένα ενιαίο σύμπλοκο με την ονομασία fem, το οποίο δεσμεύεται από τη μεμβρανική πρωτεϊνη tra-2. Σε ερμαφρόδιτα άτομα με δύο Χ, το πρωτεϊνικό σύμπλοκο fem είναι δεσμευμένο στη μεμβράνη, και η πρωτεϊνη tra-1 μπορεί να εισέλθει στον πυρήνα. Σε αρσενικά άτομα με ένα Χ, ωστόσο, η πρωτεϊνη her-1 δεσμεύει την εξωκυττάρια περιοχή της tra-2, αναγκάζοντάς την να απελευθερώσει το σύμπλοκο fem. Αυτό, μόλις απελευθερωθεί στο κυτταρόπλασμα, δεσμεύει την tra-1 και δεν της επιτρέπει να εισέλθει στον πυρήνα. Εφόσον η tra-1 (πιθανός μεταγραφικός παράγοντας) δεν μπορεί να εισέλθει στον πυρήνα, αλλάζει το πρότυπο μεταγραφής μιας σειράς πιο εξειδικευμένων γονιδίων.

Ο μηχανισμός της αντιστάθμισης του γονιδιακού πλεονάσματος στον Caenorhabditis elegans

Όπως αναφέρθηκε και πριν, η αντιστάθμιση του γονιδιακού πλεονάσματος στον C.elegans επιτυγχάνεται με τη μείωση της μεταγραφικής δραστηριότητας των γονιδίων που εδράζονται στα Χ χρωμοσώματα των ερμαφρόδιτων ατόμων στο μισό. Στην διαδικασία αυτή εμπλέκονται διάφορα γονίδια, τα οποία μπορούμε όμως να ταξινομήσουμε σε δύο διαφορετικές κατηγορίες, μία γι’αυτά που εμπλέκονται παράλληλα και σε μηχανισμούς καθορισμού του φύλου, και μία γι’αυτά που χρησιμοποιούνται μόνο για τη γονιδιακή αντιστάθμιση.

Έχουμε ήδη γνωρίσει τα γονίδια της πρώτης κατηγορίας, καθώς δεν είναι άλλα από τα γονίδια sdc-2 και sdc-3 που συναντήσαμε και στη φυλοκαθοριστική ρυθμιστική οδό. Αντίθετα, στη δεύτερη κατηγορία εντάσσεται μια σειρά γονιδίων τα οποία ανιχνεύονται στα κύτταρα και των δύο φύλων. Ως τέτοια έχουν μέχρι σήμερα αναγνωριστεί τα γονίδια dpy-21 (dumpy), dpy-26, dpy-27, dpy-28 και mix-1 (mitosis and X). Είναι πιθανό να υπάρχουν και άλλα γονίδια της τάξης των dpy που να εμπλέκονται σε τέτοιους μηχανισμούς. Πάντως κυτταρολογικές και βιοχημικές μελέτες έχουν δείξει ότι παράγουν πρωτεϊνες που σχηματίζουν ένα σύμπλοκο, το οποίο συγκεντρώνεται στα Χ χρωμοσώματα των ερμαφρόδιτων ατόμων και μειώνει τη μεταγραφική τους δραστηριότητα στο μισό.

Έτσι, οι περισσότερες από τις πρωτεϊνες που είναι απαραίτητες για την υπομεταγραφή των δύο Χ του ερμαφρόδιτου ατόμου είναι παρούσες και στα δύο φύλα. Πως είναι σε θέση λοιπόν το κύτταρο να γνωρίζει πότε να τις ενεργοποιήσει; Εδώ ακριβώς εισέρχονται στο παρασκήνιο οι πρωτεϊνες sdc-2 και sdc-3 που είδαμε και προηγουμένως. Στο στάδιο των 40 κυττάρων περίπου, λίγο πριν ενεργοποιηθούν οι μηχανισμοί για τη γονιδιακή αντιστάθμιση, παρατηρείται στα κύτταρα των ερμαφρόδιτων ατόμων μια έκρηξη στην παραγωγή sdc-2. Από έρευνες που εχουν πραγματοποιηθεί έχει διαπιστωθεί ότι η sdc-2 έχει την ιδιότητα να συγκεντρώνεται αποκλειστικά στα Χ χρωμοσώματα. Η πρωτεϊνη αυτή είναι ο βασικός παράγοντας στόχευσης του μηχανισμού στα Χ χρωμοσώματα των ερμαφρόδιτων ατόμων.

Στο στάδιο της στόχευσης των Χ, η sdc-2 συνεργάζεται με την sdc-3. Η sdc-3 επίσης εντοπίζεται μόνο στα κύτταρα των ερμαφρόδιτων ατόμων και, παρόλο που δεν έχει την ίδια ικανότητα με την sdc-2 να συγκεντρώνεται μόνο στα Χ, θεωρείται ότι παίζει σημαντικό ρόλο στη σύνδεση της sdc-2 με τις υπόλοιπες πρωτεϊνες του συμπλόκου. Πράγματι, όταν έχουμε έκφραση της sdc-3 χωρίς την sdc-2, αυτή παραμένει διάχυτη στον πυρήνα, ενώ με την sdc-2 παρούσα έχουμε αυστηρή συγκέντρωσή της στα δύο Χ χρωμοσώματα. Η παρουσία της είναι απαραίτητη για τη σωστή σύνδεση και λειτουργία του συμπλόκου, δεν έχει όμως ακόμη διευκρινιστεί αν πρώτα συνδέεται η sdc-2 με την sdc-3, και μέσω αυτής με τις υπόλοιπες πρωτεϊνες του συμπλόκου, τις οποίες μετά στοχεύει στα Χ χρωμοσώματα, ή αν πρώτα συγκεντρώνεται η sdc-2 στα Χ και μετά η sdc-3 αλληλεπιδρά και με τις υπόλοιπες πρωτεϊνες, ώστε να τις συσσωρεύσει στα ίδια σημεία.

Από τη στιγμή λοιπόν το ερμαφρόδιτο άτομο ενεργοποιήσει τις πρωτεϊνες sdc-2 και sdc-3, αυτές αυτομάτως προσελκύουν και τις υπόλοιπες πρωτεΐνες με τις οποίες συνεργάζονται, και όλες μαζί προσδένονται στα δύο Χ χρωμοσώματα. Εδώ αξίζει να τονίσουμε για άλλη μια φορά ότι οι υπόλοιπες πρωτεϊνες του συμπλόκου είναι παρούσες και στα δύο φύλα, αλλά για την αντιστάθμιση της γονιδιακής δόσης η παρουσία τους είναι απαραίτητη μόνο στα ερμαφρόδιτα άτομα. Τυχόν μεταλλάξεις με αποτέλεσμα την εξάλειψή τους οδηγούν, με εξαίρεση τη dpy-21, στον θάνατο των ΧΧ εμβρύων λόγω υπερέκφρασης των φυλοσύνδετων γονιδίων, ενώ εξάλειψη της dpy-21 επίσης οδηγεί σε αύξηση των γονιδιακών προϊόντων του Χ.

Ενδιαφέρον παρουσιάζει και το γεγονός ότι μεταλλάξεις στις dpy-26 και dpy-28 αυξάνουν την πιθανότητα μη διαχωρισμού των Χ χρωμοσωμάτων κατά την διάρκεια της μείωσης, με αποτέλεσμα να αυξάνει η συχνότητα των ΧΟ αρσενικών στον πληθυσμό.

Η συνδυασμένη δράση των sdc-2, sdc-3, dpy-21, dpy-26, dpy-27, dpy-28 και mix-1 οδηγεί σε μείωση της έκφρασης των γονιδίων που βρίσκονται στα Χ χρωμοσώματα. Ο μηχανισμός, όμως, με τον οποίο επιτυγχάνεται αυτό δεν είναι ακόμη γνωστός. Η εμπλοκή πολλών από τις πρωτεϊνες, που είναι κοινές και στα δύο φύλα, στους μηχανισμούς πακεταρίσματος και διαχωρισμού των χρωμοσωμάτων κατά τη μίτωση και τη μείωση έχει οδηγήσει τους επιστήμονες να πιστεύουν ότι μπορεί η μείωση της έκφρασης να οφείλεται σε κάποιου είδους αλλαγή της δομής της χρωματίνης. Όντως, μια τέτοια αναδιοργάνωση της δομής της χρωματίνης σε ολόκληρο το χρωμόσωμα, με βάση τα πρότυπα του πακεταρίσματος των χρωμοσωμάτων κατά τη διαίρεση του κυττάρου, δικαιολογεί και τη «χρωμοσωμική» χροιά της γονιδιακής ρύθμισης που επιβάλλεται. Η ρύθμιση αυτή συνδυάζεται αθροιστικά με τα υπάρχοντα βασικά επίπεδα έκφρασης των φυλοσύνδετων γονιδίων, ώστε η μεταγραφή τους να πέφτει ακριβώς στο μισό και χωρίς να είναι απαραίτητο να ρυθμίζονται τα επίπεδα κάθε γονιδίου χωριστά.

Ο διπλός ρόλος των πρωτεϊνών της γονιδιακής αντιστάθμισης στον Caenorhabditis elegans

Όπως είδαμε, οι πρωτεϊνες που λαμβάνουν μέρος στη διαδικασία της αντιστάθμισης του γονιδιακού πλεονάσματος διακρίνονται ανάμεσα σε αυτές που εντοπίζονται μόνο στα ερμαφρόδιτα άτομα και σε αυτές που ανιχνεύονται σε άτομα και των δύο φύλων. Με κίνητρο αυτή τη διπλή παρουσία των δεύτερων, οι επιστήμονες δεν άργησαν να ανακαλύψουν ότι οι συγκεκριμένες πρωτεϊνες δεν αξιοποιούνται μόνο στη γονιδιακή αντιστάθμιση, αλλά διατηρούν ενεργό ρόλο και σε διεργασίες πακεταρίσματος και διαχωρισμού των χρωμοσωμάτων κατά τη μίτωση και τη μείωση και στα δύο φύλα. Αυτή η ανακάλυψη υπήρξε πολύ σημαντική, καθώς συνδέει δύο πολύ διαφορετικές κυτταρικές λειτουργίες του Caenorhabditis elegans και μπορεί να αποτελεί ένδειξη για το πως εξελίχτηκε ο μηχανισμός της υπομεταγραφής των φυλοσύνδετων γονιδίων του από υπάρχοντες κυτταρικούς μηχανισμούς.

Πιο συγκεκριμένα, από έρευνες που έχουν γίνει, γρήγορα διαπιστώθηκε ότι οι οι πρωτεϊνες dpy-26, dpy-27, dpy-28 και mix-1 είναι σχεδόν όμοιες με τα συστατικά ενός μηχανισμού συμπύκνωσης και διαχωρισμού των μιτωτικών χρωμοσωμάτων που έχει ανακαλυφθεί στους ζυμομύκητες και τους βατράχους, το σύμπλεγμα της κοντεσίνης 13S. Όντως, οι περισσότερες από τις εν λόγω πρωτεϊνες ανήκουν στην οικογένεια SMC, μια οικογένεια πρωτεϊνών που συμμετέχει σε πολλές και ποικίλες χρωμοσωμικές διεργασίες, όπως η σύνδεση των αδερφών χρωματίδων, η συμπύκνωση των μιτωτικών χρωμοσωμάτων και η επίτευξη του χρωμοσωμικού ανασυνδυασμού. Από αυτές, μόνο η dpy-27 δεν διατηρεί τέτοιου είδους δραστηριότητα, αλλά ακόμη και αυτή εμφανίζει εκπληκτικές ομοιότητες με τις πρωτεϊνες της οικογένειας SMC, με αποτέλεσμα να πιστεύουμε ότι έχει προέλθει από την ίδια οικογένεια.

Πιο συγκεκριμένα, έχει παρατηρηθεί ότι κατά τη διάρκεια της μεσόφασης, στα κύτταρα των ερμαφρόδιτων ατόμων οι πρωτεϊνες αυτές είναι συγκεντρωμένες, ως αναμενόμενο, γύρω από τα Χ χρωμοσώματα χάρη στη δράση της sdc-2. Όταν όμως το κύτταρο ετοιμάζεται να διαιρεθεί, αποκτούν μια διάχυτη κατανομή μέσα σε όλο τον πυρήνα και γύρω και από τα υπόλοιπα χρωμοσώματα, χωρίς να εγκαταλείπουν ποτέ τα δύο φυλετικά χρωμοσώματα των ερμαφρόδιτων ατόμων. Μετά το τέλος της μείωσης, αυτού του είδους η κατανομή εξαφανίζεται, για να εμφανιστεί και πάλι η γνωστή μας συγκέντρωση του συμπλόκου μόνο γύρω από Χ χρωμοσώματα. Ένας μηχανισμός που έχει προταθεί για την ερμηνεία του φαινομένου είναι ότι, μετά το τέλος της μίτωσης, το κύτταρο ενεργοποιεί μηχανισμούς αποδόμησης των πρωτεϊνών αυτών με εξαίρεση όσες έχουν δεσμευθεί στα Χ χρωμοσώματα και προστατεύονται από τη σύνδεσή τους με το σύμπλοκο της γονιδιακής αντιστάθμισης. Επίσης έχει προταθεί ότι οι πρωτεϊνες αυτές διακρίνουν τις διαφορετικές εργασίες που πρέπει να επιτελέσουν μέσω της αλληλεπίδρασής τους με διαφορετικούς παράγοντες.

Τα πρωτεϊνικά σύμπλοκα που συμμετέχουν στις διεργασίες της μίτωσης και της μείωσης βρίσκονται ακόμη υπό μελέτη. Όλα τα παραπάνω οδήγησαν, ωστόσο, τους επιστήμονες στην υπόθεση ότι ο μηχανισμός της γονιδιακής αντιστάθμισης στον Caenorhabditis elegans επιτυγχάνει την υπομεταγραφή των φυλοσύνδετων γονιδίων μεταβάλλοντας τη δομή των Χ χρωμοσωμάτων και επιτυγχάνοντας βαθμό συμπύκνωσης παρόμοιο με αυτόν των χρωμοσωμάτων λίγο πριν τη διαίρεση του κυττάρου. Παρόλα αυτά, το ερώτημα παραμένει: Οι δύο αυτές διεργασίες συνδέονται απλά και μόνο επειδή οι πρωτεϊνες της αντιστάθμισης του γονιδιακού πλεονάσματος ρυθμίζουν την έκφραση των φυλετικών χρωμοσωμάτων εκμεταλλευόμενες τα δομικά μοτίβα των μιτωτικών πρωτεϊνών, ή η μεταξύ τους σύνδεση διαθέτει μια βαθύτερη λειτουργική σημασία, με τις εξελικτικά διατηρημένες μιτωτικές πρωτεϊνες να εμπλέκονται και στους δύο μηχανισμούς;

Φτάνοντας στο τέλος αυτού του κεφαλαίου, έχουμε δει πλέον πώς διαφορετικοί οργανισμοί χρησιμοποιούν διαφορετικούς μηχανισμούς. Πώς ανταποκρίνεται, όμως, ο κάθε ένας από αυτούς σε πιθανές ανωμαλίες του αριθμού των φυλετικών χρωμοσωμάτων που προσπαθούν να ρυθμίσουν; Η σύγκριση αποδεικνύεται εξαιρετικά ενδιαφέρουσα, καθώς αποκαλύπτει τα συν και τα πλην του κάθε μηχανισμού και μας επιτρέπει μια γενική επισκόπηση των χαρακτηριστικών τους.

Ακολουθεί λοιπόν ένας γενικός πίνακας φαινοτύπων, σε σχέση με τους βασικούς συνδυασμούς των φυλετικών χρωμοσωμάτων.

Εικόνα 2.4.17 Πίνακας γενικής σύγκρισης μεταξύ των διαφόρων ειδών

Εργασία που παρουσιάστηκε από τη φοιτήτρια Ιατρικής Μανωλάκου Παναγιώτα, Φοιτήτρια Ιατρικής
στα πλαίσια του κατ'επιλογήν μαθήματος της Πειραματικής Εμβρυολογίας
Υπεύθυνη μαθήματος : Ρωξάνη Αγγελοπούλου, Αναπληρώτρια Καθηγήτρια
Εργαστήριο Ιστολογίας και Εμβρυολογίας
Ιατρική Σχολή Πανεπιστημίου Αθηνών
Για περισσότερες πληροφορίες μπορείτε να ανατρέξετε στον ιστότοπο του μαθήματος της Πειραματικής Εμβρυολογίας: http://www.med.uoa.gr/expembr/
Τελευταία αναθεώρηση : 1/5/2006