Naukowcy z UNSW Sydney odkryli nowe mechanizmy kompensacji dawki chromosomów płciowych u dziobaka i kurczaka, podważając wcześniejsze założenia i dostarczając nowych informacji na temat regulacji genetycznej u różnych gatunków.
Nowe badanie pokazuje, że dziobaki i kury równoważą poziom białka między płciami poprzez unikalny mechanizm kompensacji dawki, odmienny od ludzkiego, co podważa długotrwałe założenia genetyczne i poprawia nasze zrozumienie ewolucji i regulacji genetycznej.
Naukowcy z UNSW Sydney odkryli fundamentalne różnice w procesach biologicznych między samcami i samicami, badając unikalne i zróżnicowane układy chromosomów płciowych dziobaka i kury.
Wyniki opublikowane w Proceedings of National Academy of Sciences (PNAS), są zaskoczeniem w dziedzinie genetyki. Odkrycia pomogą lepiej zrozumieć ewolucję chromosomów płciowych i funkcjonowanie naszego organizmu, a także mogą prowadzić do nowych odkryć w biologii.
„Ssaki, takie jak ludzie, mają samice z dwoma chromosomami X i samce z jednym chromosomem X i jednym chromosomem Y, co powoduje brak równowagi między płciami” – mówi główny autor, dr Nicholas Lister z Wydziału Biotechnologii i Nauk Biomolekularnych UNSW. „Tę nierównowagę koryguje się w procesie zwanym kompensacją dawki chromosomu płciowego”.
Naukowcy od dawna wiedzą, że zwierzęta mają rozwiązania równoważące różnice w chromosomach płciowych i umożliwiające osiągnięcie „normalnego” funkcjonowania.
Dr Lister mówi: „U samic ssaków, takich jak ludzie i myszy, samice XX i samce XY mają różną liczbę chromosomu X. Aby zrównoważyć tę różnicę, jeden z chromosomów X u kobiet jest zazwyczaj wyciszony. Wyciszenie jednego chromosomu X u kobiet wyrównuje produkty genów na chromosomach płci. Uniemożliwia to kobietom wytwarzanie dwukrotnie większej liczby białek z chromosomu X w porównaniu z mężczyznami”.
Równoważenie wag
Każda komórka w naszym organizmie wykorzystuje białka do wykonywania określonych funkcji.
„Są one tłumaczone z mRNA, które niesie ze sobą instrukcje dla komórek dotyczące wytwarzania białek” – mówi kierownik badania, profesor nadzwyczajny Paul Waters, również ze Szkoły Biotechnologii i Nauk Biomolekularnych UNSW. „Bycie mężczyzną lub kobietą wpływa na poziom mRNA genów chromosomu X, który, jak można się spodziewać, wpłynie na produkcję białka”.
Dziobak i kurczak mają zupełnie inne układy chromosomów płciowych niż ludzie, co może dać nam cenny wgląd w pracę naszego organizmu. Źródło: Shafagh Waters i Lisa Melisa
Ale A/prof. Waters twierdzi, że to badanie pokazuje – po raz pierwszy – że równowaga białek występuje między płciami, nawet jeśli poziomy mRNA nie są zrównoważone.
„Odkrycia sugerują, że kompensacja dawki jest kluczowym procesem w leczeniu gatunek ze zróżnicowanymi chromosomami płciowymi, aby zapewnić zrównoważony poziom białka” – mówi. „Wyniki te są znaczące, ponieważ sugerują, że mimo wszystko wyrównanie dawki chromosomów płciowych jest niezbędne – i to u wszystkich gatunków kręgowców, a nie tylko u ssaków łożyskowych i torbaczy”.
Dlaczego dziobak i kurczak?
Badanie skupiło się na dziobaku i kurze – dwóch gatunkach o bardzo różnych układach chromosomów płciowych, które oferują cenny wgląd w ewolucję i mechanizmy kompensacji dawki.
„Dziobak to ssaki stekowce z interesującymi układami chromosomów płciowych” – mówi dr Lister. „Mają pięć par chromosomów X u kobiet oraz pięć X i pięć Y u mężczyzn. Ptaki – takie jak kury – mają system ZW, w którym samce mają dwie kopie chromosomu Z, a samice chromosomy Z i W.
A/prof. Waters twierdzi, że naukowcy zaobserwowali już niemal idealną kompensację dawki chromosomów płciowych RNA między samcami i samicami u ssaków łożyskowych i torbaczy.
„Jednak u ptaków i stekowców występuje brak równowagi między płciami w zakresie mRNA” – mówi. „To coś, co uważaliśmy za niemożliwe. Po raz pierwszy pokazujemy, że ta nierównowaga jest korygowana na poziomie białka. Oznacza to, że dziobak i kurczak mają nowatorski mechanizm kompensacji dawki, różniący się od tego, jak to robimy u ludzi”.
Czy nasze geny naprawdę mają kontrolę?
Współautorka profesor Jenny Graves z Wydziału Środowiska i Genetyki Uniwersytetu La Trobe wykazała już w 1986 roku, że geny na nieaktywnym ludzkim chromosomie X nie są kopiowane do RNA.
Wyciszenie na poziomie RNA stało się wówczas paradygmatem wszelkiego wyciszenia epigenetycznego.
„Ponieważ geny zostały wyciszone z powodu braku wytwarzania RNA, założono, że kontrola kompensacji dawki odbywa się wyłącznie na poziomie RNA, a nie na poziomie wytwarzania białek” – mówi prof. Graves.
„Ale poziomy mRNA dla genów na chromosomach płciowych nie były zrównoważone u dziobaka ani u kurczaka” – mówi. „Naukowcy zakwestionowali zatem założenie, że kompensacja dawki jest niezbędna do życia”.
A/prof. Waters twierdzi, że pomiar poziomu białek był znacznie trudniejszym przedsięwzięciem niż pomiar poziomu mRNA ze względu na wyzwania technologiczne.
„Teraz, gdy technologia jest bardziej czuła, możemy zauważyć, że wyrównanie dawki chromosomów płciowych u samców i samic obserwuje się na poziomie białka u dziobaka i kury”, mówi prof. Waters mówi. „Samce i samice tych gatunków wytwarzają podobne ilości białek pomimo rozbieżności w ilościach mRNA”.
Jak ta wiedza zostanie zastosowana?
Autorzy podkreślają złożoność regulacji genetycznej i znaczenie uwzględnienia wielu poziomów kontroli ekspresji genów.
Współautor dr Shafagh Waters ze Szkoły Nauk Biomedycznych UNSW twierdzi, że badanie toruje drogę do głębszego zrozumienia regulacji genetycznej.
„Badanie unikalnych gatunków, takich jak dziobak, dostarcza nam nowego wglądu w mechanizmy komórkowe i molekularne, które mogą regulować różne aspekty fizjologii człowieka lub być powiązane ze stanami chorobowymi” – mówi. „Tak więc, choć procesy te mogą nie mieć bezpośredniego zastosowania do kompensacji dawki u ludzi, wyjaśniają, w jaki sposób nasze ciała zarządzają ekspresją genów i produkcją białek. Nasze odkrycia mogą potencjalnie poszerzyć wiedzę z biologii ewolucyjnej i doprowadzić do innowacyjnych terapii w genetyce medycznej. Zrozumienie tych mechanizmów u różnych gatunków może pomóc w zidentyfikowaniu nowych celów w przypadku chorób, w których kluczową rolę odgrywa dysfunkcja białek”.
Dr Lister twierdzi, że przyszłe badania zbadają mechanizmy, które przyczyniają się do kompensacji dawki.
„Ta praca pomoże nam odkryć w przyrodzie inne systemy kompensacji dawki” – mówi. „Możemy dowiedzieć się, jak one ewoluowały i jak działają u innych gatunków”.
A/prof. Waters mówi: „Zrozumienie tych procesów u innych gatunków może poprawić naszą wiedzę na temat regulacji genów na podstawowym poziomie”.
Odniesienie: „Niekompletna kompensacja dawki transkrypcyjnej chromosomów płciowych kurczaka i dziobaka jest równoważona przez kompensację potranskrypcyjną” autorstwa: Nicholas C. Lister, Ashley M. Milton, Hardip R. Patel, Shafagh A. Waters, Benjamin J. Hanrahan, Kim L. McIntyre, Alexandra M. Livernois, William B. Horspool, Lee Kian Wee, Alessa R. Ringel, Stefan Mundlos, Michael I. Robson, Linda Shearwin-Whyatt, Frank Grützner, Jennifer A. Marshall Graves, Aurora Ruiz-Herrera i Paul D. Watersa, 29 lipca 2024 r., Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.
DOI: 10.1073/pnas.2322360121
