8. Единственная Х-хромосома у самцов обнаруживает метки гетерохроматина

Самое раннее предположение, что в зародышевой линии Х-хромосома отличается от аутосом, вытекает из цитологических наблюдений. Единственная Х-хромосома у червей-самцов приобретает характерную структуру во время пахитены в мейотической профазе — она гиперконденсируется, формируя шаровидную структуру, напоминающую «половое тельце» XY, видимое во время мужского мейоза у млекопитающих (Goldstein and Slaton, 1982; Handel, 2004). Аутосомы конденсируются позже в мейотической профазе, близко к началу сперматогенеза. Преждевременная конденсация Х-хромосомы также видна во время мужского мейоза у гермафродитов XX и у сексуально трансформированных самцов XX; это позволяет предполагать, что преждевременная конденсация Х-хромосомы происходит в ответ на пол зародышевой клетки, а не на статус плоидности или спаренности Х-хромосомы. Соответственно, у гермафродитов XX зародышевые клетки, предназначенные для оогенеза, не обнаруживают преждевременной конденсации Х-хромосомы.

В дополнение к преждевременной конденсации единственная Х-хромосома у самцов ХО временно аккумулирует заметные количества H3K9me2, которые появляются во время пахитены и исчезают в диплотене (рис. 15.7) (Kelly et al., 2002). Это обогащение H3K9me2 не происходит в ходе сперматогенеза XX, как у гермафродитов, так и у трансформированных самцов XX. Однако обогащение Х-хромосомы H3K9me2 наблюдается в оогониях, проходящих стадию пахитены у трансформированных по полу гермафродитов ХО, причем динамика этого процесса сходна с таковой у самцов ХО (Bean et al., 2004). Специфичное приобретение метки гетерохроматина на Х-хромосоме в мейозе ХО оказывается, таким образом, следствием ее неспаренного статуса, а не пола данной зародышевой линии, через которую она проходит. «Нацеливание» H3K9me2 на неспаренную ДНК не ограничивается нуклеотидными последовательностями Х-хромосомы; оно обнаруживается также на неспаренных аутосомных фрагментах и транслокациях (Bean et al., 2004).

Такая «нацеливаемая» репрессия неспаренной ДНК в мейозе имеет место не только у С. elegans. Подобное распознавание и репрессия неспаренной ДНК происходят во время мейоза и у других организмов, в том числе у Neurospora и мыши. Это явление обозначается как MSUD (meiotic silencing of unpaired DNA — мейотический сайленсинг неспаренной ДНК) (Shiu et al., 2001; Baarends et al., 2005; Turner, 2005; Turner et al., 2005). У мышей, например, «половое тельце» XY со слабым синапсом во время мужского мейоза аналогичным образом обогащено H3K9me2, и это является следствием его неспаренного состояния (Cowell et al., 2002; Turner et al., 2005). Мейотический сайленсинг у Neurospora требует активности белков с консервативными ролями в РНК-интерференции (RNAi). В их число входят РНК-направляемая РНК-полимераза (RdRP), белок, родственный белку Argonaute (консервативный компонент инуцируемых РНК сайленсирующих комплексов, RISCs) и нуклеаза Dicer (обзор см. Nakayashiki, 2005; см. главу 8). У С. elegans обогащение H3K9me2 на неспаренной ДНК нуждается в EGO-1, RdRP, которая ограничена зародышевой линией, но не требует Dicer (Maine et al., 2005). Это заставляет предполагать, что в то время как имеет место консерватизм мейотического сайленсинга (репрессии неспаренной ДНК), механизм, с помощью которого это достигается, мог по-разному развиваться у разных организмов.

^{Рис. 15.7. Эпигенетическая регуляция Х-хромосом во время развития зародышевых клеток}

^{У обоих полов зародышевые клетки проходят митоз (слева), вступают в мейоз в переходной зоне и проходят профазу мейоза I. У обоих полов клетки, предназначенные для формирования спермы, завершают мейотические деления в гонаде. У гермафродитов клетки, предназначенные для формирования ооцитов, проходят через мейотическую профазу в гонаде и завершают мейотические деления после овуляции и оплодотворения. Присутствие разнообразных модификаций гистонов на Х-хромосоме (Х-хромосомах) в зародышевых клетках показано красными (для репрессивных модификаций) и зелеными (для активирующих модификаций) полосками. Как показано на врезках справа, антитела к конкретным модификациям гистонов показывают, что Х-хромосомы в зародышевых ядрах маркируются иначе, чем аутосомы, и сайленсированы. H3K4me2 (зеленый цвет), метка активно экспрессируемого хроматина, отсутствует в Х-хромосомах пахитенных ядер XX. H3K9me2 (зеленый цвет), метка гетерохроматина, сконцентрирован на Х-хромосоме в пахитенных ядрах ХО. ДНК окрашивается красным цветом. Стрелки указывают репрезентативные Х-хромосомы на каждом изображении}

В противоположность тому, что происходит в мейозе самцов ХО, Х-хромосомы либо в сперматогониях XX, либо в оогониях XX не накапливают H3K9me2 в сколько-нибудь заметных количествах. Это различие обусловлено, вероятно, полным синапсисом Х-хромосом в мейозе гермафродитов. Почему сайленсинг неспаренных ДНК обычно оказывается консервативной чертой полового воспроизведения? У многих организмов спаривание гомологов ограничено исключительно мейозом, и во время синапсиса новые вставки, уникальные для одного из гомологов, экспонировались бы как участки неспаренной ДНК. Предположили, что распознавание и сайленсинг неспаренных последовательностей во время мейоза обеспечивают механизм для самосканирования (self-scanning) диплоидного генома и могли бы обеспечить защиту против инвазии (или экспансии) перемещаемых элементов. Как еще одно следствие, следует отметить, что гены, экспрессируемые во время мейоза, сталкивались бы с сильным отбором против нахождения их на неспаренной хромосоме (такой, как Х-хромосома самца). Такой отбор приводил бы к формированию уникального генетического профиля Х-хромосомы, наблюдаемого у С. elegans. Интересно пофантазировать на тему о том, что геномная война между транспозонами и их хозяевами и эпигенетические механизмы, развившиеся как оружие в этой битве, сформировали геномы и привели к генетической изменчивости. Эта генетическая изменчивость, в свою очередь, могла создать дефекты спаривания, достаточные для включения мейотического сайленсинга существенных локусов и, отсюда, мейотической несовместимости. Таким путем эпигенетический сайленсинг во время мейоза теоретически мог внести свой вклад в репродуктивную изоляцию и видообразование.