王瑞雪 張露丹 孫 林

（北京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 北京 100875）

為了實(shí)現(xiàn)染色體拷貝數(shù)異?；虻恼１磉_(dá)水平，各種生物進(jìn)化出了不同的分子機(jī)制?；虻膭┝垦a(bǔ)償（dosage compensation）是一種表觀遺傳學(xué)機(jī)制。黑腹果蠅作為一種重要的模式生物，因其在經(jīng)典遺傳學(xué)及全基因組學(xué)研究中的顯著優(yōu)勢(shì)，在劑量補(bǔ)償效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)與研究過(guò)程中是至關(guān)重要的實(shí)驗(yàn)材料。20世紀(jì)30年代初，Muller H.J.在研究攜帶部分功能缺失的X 染色體果蠅突變個(gè)體的眼睛色素水平時(shí)，首次發(fā)現(xiàn)了在兩性個(gè)體間性連鎖基因劑量不同，但表達(dá)水平相似的現(xiàn)象。Muller H.J.將這種調(diào)節(jié)機(jī)制命名為“劑量補(bǔ)償”。20世紀(jì)80年代，Devlin R.H.等研究者［1］在果蠅2L 染色體中發(fā)現(xiàn)了劑量補(bǔ)償現(xiàn)象，證明了果蠅的常染色體中同樣存在著劑量補(bǔ)償現(xiàn)象。近年來(lái)，隨著對(duì)非整倍體果蠅研究的不斷深入，人們對(duì)劑量補(bǔ)償效應(yīng)的遺傳學(xué)概念及分子調(diào)控機(jī)制均有了更高層次的理解［2］。

1 性染色體上的基因劑量補(bǔ)償

在XY 性別決定生物中，性染色體的劑量在兩性間存在明顯差異，正常的雌性的體細(xì)胞內(nèi)有2 條X 染色體，而正常雄性的體細(xì)胞則含有一條X 染色體和一條Y 染色體。雖然X 染色體與Y 染色體起源相同，有同源配對(duì)基礎(chǔ)，但由于突變、遺傳漂變、自然選擇等多方面因素，Y 染色體上的基因發(fā)生了改變。果蠅Y 染色體大部分由重復(fù)的衛(wèi)星DNA、轉(zhuǎn)座元件和核糖體DNA 組成，通過(guò)異染色質(zhì)形成轉(zhuǎn)錄沉默，只有少數(shù)功能基因，主要與雄性生殖功能相關(guān)。兩性間性染色體的組成和數(shù)目差異是決定性別差異的重要因素，同時(shí)也導(dǎo)致了兩性間性連鎖基因劑量上的不平衡。但是雌、雄個(gè)體之間基因表達(dá)量沒(méi)有因此產(chǎn)生相應(yīng)的差異，這說(shuō)明在X 染色體上存在劑量補(bǔ)償效應(yīng)，即雖然X染色體劑量不同，但不同性別的個(gè)體間X 染色體上相關(guān)基因表達(dá)量是近乎相等的。

關(guān)于性染色體上的劑量補(bǔ)償，在3 種性連鎖基因劑量不平衡的遠(yuǎn)緣生物中的研究顯示，不同物種中的基因劑量補(bǔ)償現(xiàn)象是通過(guò)不同的分子調(diào)控機(jī)制實(shí)現(xiàn)的［3］。哺乳動(dòng)物中的基因劑量補(bǔ)償是通過(guò)隨機(jī)失活雌性2 條X 染色體中的1 條實(shí)現(xiàn)的；而在線蟲中，基因劑量補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)則是通過(guò)將雌雄同體的2 條X 染色體的基因表達(dá)水平減少一半，進(jìn)而達(dá)到與雄性X 連鎖基因表達(dá)量相匹配的目的。

果蠅的性別是由胚胎中性染色體與常染色體的比值（性指數(shù)，sex index）決定的，這個(gè)比值與一些性連鎖基因相關(guān)。在雌性個(gè)體中，性別分化是通過(guò)誘導(dǎo)性別致死基因（sxl）的轉(zhuǎn)錄，起始性別特異性剪接級(jí)聯(lián)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的［4］，其pre-mRNA 上包含終止密碼子的3 號(hào)外顯子被剪切。雄性果蠅中不發(fā)生此剪接過(guò)程，所以，sxl在雄性果蠅中無(wú)法正常表達(dá)。而SXL 蛋白會(huì)抑制下游MSL2 蛋白的合成，進(jìn)而影響MSL 復(fù)合體的裝配，因此，在早期的雄性胚胎中，SXL 的缺失使性別分化及劑量補(bǔ)償機(jī)制的建立成為可能。MSL2 蛋白正常合成并募集MSL1、MSL3 等其他因子組裝形成MSL 復(fù)合體。果蠅中的劑量補(bǔ)償是通過(guò)上調(diào)雄性個(gè)體中X 染色體上的大部分基因的轉(zhuǎn)錄水平完成的。在雄性特異性致死（MSL）復(fù)合體參與下，精確實(shí)現(xiàn)了200%的基因表達(dá)水平，以彌補(bǔ)雌、雄果蠅之間的X 染色體劑量的差異。該過(guò)程涉及了MSL 復(fù)合體內(nèi)的相關(guān)組分，例如，位點(diǎn)特異性的組蛋白乙酰化修飾蛋白MOF、X 染色體特異性非編碼RNAroX1與roX2，以及組蛋白磷酸激酶JIL-1。整個(gè)劑量補(bǔ)償過(guò)程復(fù)雜而有序［5］。

為了解果蠅X 染色體上基因的劑量補(bǔ)償，研究者選擇了具有3 條X 染色體的超雌果蠅品系，對(duì)超雌果蠅和正常二倍體果蠅的三齡幼蟲進(jìn)行了高通量RNA 測(cè)序，并統(tǒng)計(jì)了2 種果蠅所有轉(zhuǎn)錄本基因表達(dá)比率的分布頻率。以該比值區(qū)間（Bin）為橫坐標(biāo)，將該比值區(qū)間對(duì)應(yīng)基因出現(xiàn)的頻率為縱坐標(biāo)，作比值-頻率分布圖（圖1），從圖1中可看出，超雌果蠅與正常果蠅基因表達(dá)比率的峰值出現(xiàn)在1.0 處，說(shuō)明二者具有相同的基因表達(dá)水平，證明果蠅中性染色體上的確存在劑量補(bǔ)償效應(yīng)。

圖1 超雌體果蠅／二倍體果蠅基因表達(dá)比率分布

2 常染色體上的劑量補(bǔ)償

早在1982年，就已有關(guān)于果蠅的常染色體的劑量補(bǔ)償?shù)难芯俊Ｑ芯空邫z測(cè)了5 種結(jié)構(gòu)基因定位于果蠅2 號(hào)染色體左臂的酶，比較了它們?cè)谌w及二倍體中的表達(dá)量。其中2L 三體果蠅中定位在染色體遠(yuǎn)端的3 種酶，表達(dá)水平與二倍體中相近，并且3 個(gè)等位基因均是活躍的［1］。說(shuō)明2L 染色體上的部分基因存在劑量補(bǔ)償現(xiàn)象，使每個(gè)等位基因達(dá)到正常二倍體水平2／3 的表達(dá)量，并且這種補(bǔ)償作用因染色體結(jié)構(gòu)不同而存在區(qū)域性。

為了解2L 染色體上的劑量補(bǔ)償，研究者對(duì)2L三體果蠅的三齡幼蟲進(jìn)行了高通量RNA 測(cè)序，統(tǒng)計(jì)了2L 三體與正常果蠅所有表達(dá)的轉(zhuǎn)錄本的基因表達(dá)比率分布頻率。2L 染色體的基因表達(dá)比率的峰值出現(xiàn)在0.9 和1.0 附近，這說(shuō)明2L 染色體的基因表達(dá)水平與正常二倍體基本一致，在果蠅的常染色體上同樣存在劑量補(bǔ)償現(xiàn)象（圖2）。

圖2 2L 三體／二倍體果蠅基因表達(dá)比率分布圖

大量研究證明，常染色體上的劑量補(bǔ)償在多物種中廣泛存在。在游離型21-三體唐氏綜合征患者中，21 號(hào)染色體上發(fā)生劑量補(bǔ)償?shù)幕蚬灿?7個(gè)，占該染色體基因總數(shù)的56.6%［8］；野生型非整倍體酵母中，其染色體劑量增加的染色體上，僅11%～36%基因表達(dá)水平降低，大多數(shù)基因都可通過(guò)劑量補(bǔ)償效應(yīng)維持表達(dá)水平的穩(wěn)定［9］；玉米中更是普遍存在劑量補(bǔ)償現(xiàn)象，1 號(hào)染色體長(zhǎng)臂上的結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)量由劑量補(bǔ)償?shù)街苯觿┝啃?yīng)（表達(dá)量與基因劑量的變化相匹配）的范圍內(nèi)均有分布，并且在劑量補(bǔ)償處存在峰值［10］。

除此之外，相比于性染色體，常染色體上的基因劑量補(bǔ)償還存在著性別差異性，這使得常染色體在劑量補(bǔ)償效應(yīng)的研究中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。關(guān)于果蠅眼色的實(shí)驗(yàn)已證明這種性別二態(tài)性的存在，并且這種性別導(dǎo)致的表達(dá)差異并非特定于某類基因，而是廣泛存在于許多劑量敏感的基因上，包括轉(zhuǎn)錄因子，染色質(zhì)蛋白和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路成員［11］。MSL 復(fù)合體定位在雄性果蠅的X 染色體上，復(fù)合體中存在與活化基因表達(dá)相關(guān)的組蛋白乙?；窶OF。若將MSL 復(fù)合體靶向X 染色體的蛋白MLE 突變，MOF 蛋白會(huì)分散到各個(gè)染色體上，roX RNA 的插入會(huì)吸引復(fù)合物從介入位點(diǎn)擴(kuò)散，進(jìn)而導(dǎo)致X 染色體和常染色體上的相關(guān)基因表達(dá)發(fā)生變化［12］。

3 總結(jié)與展望

基因的劑量補(bǔ)償效應(yīng)最初發(fā)現(xiàn)于果蠅的性染色體上，表現(xiàn)為兩性之間基因劑量差異變化并未導(dǎo)致大部分蛋白質(zhì)水平的相應(yīng)變化。隨著研究的不斷深入，在果蠅及其他生物中，常染色體上基因的劑量效應(yīng)也逐漸被證實(shí)。傳統(tǒng)概念認(rèn)為劑量效應(yīng)僅存在于性染色體上的基因，如今，研究者已認(rèn)識(shí)到劑量效應(yīng)廣泛存在于全基因組中。但是，由于目前蛋白質(zhì)組學(xué)工具在準(zhǔn)確檢測(cè)蛋白質(zhì)水平變化方面存在著技術(shù)限制，研究者對(duì)于劑量補(bǔ)償是否可在翻譯水平上發(fā)生還存在許多爭(zhēng)議，而對(duì)于劑量效應(yīng)是否可在翻譯后水平上發(fā)生還未有定論［13］。

此外，基因劑量補(bǔ)償?shù)陌l(fā)生機(jī)制還存在爭(zhēng)議，研究者基于雄性果蠅X 染色體連鎖基因的2 倍上調(diào)和相關(guān)組蛋白乙?；傅男揎椬饔锰岢隽思せ钅Ｐ?。但傳統(tǒng)的激活模型雖解釋了兩性間X 染色體的劑量補(bǔ)償效應(yīng)，卻不能解釋X 染色體和常染色體之間的基因表達(dá)失衡現(xiàn)象。并且非整倍體所引發(fā)的基因表達(dá)變化不是僅局限于發(fā)生劑量改變的染色體連鎖基因，而是廣泛存在于全基因組中。因此，Birchler J.A.［14］提出了新的劑量補(bǔ)償機(jī)制實(shí)現(xiàn)模型，即“平衡模型”。在平衡模型中，研究者認(rèn)為基因組內(nèi)的劑量補(bǔ)償是通過(guò)正向劑量效應(yīng)（positive dosage effect）和 反 式 劑 量 效 應(yīng)（inverse dosage effect）共同作用實(shí)現(xiàn)的。反式劑量效應(yīng)會(huì)在全基因組內(nèi)產(chǎn)生廣泛的影響。研究者通過(guò)遺傳學(xué)技術(shù)及分子生物學(xué)分析篩選出了47 個(gè)與白眼相關(guān)的反式劑量因子，可在單基因水平上模擬在非整倍體中觀察到的反式劑量效應(yīng)［15］。其中，位于2R 染色體上的參與轉(zhuǎn)錄的pcf11基因，其缺失與重復(fù)突變型中存在明顯的反式劑量效應(yīng)，且缺失與重復(fù)互補(bǔ)后，可恢復(fù)到正常水平。對(duì)劑量補(bǔ)償發(fā)生機(jī)制的研究，能為深入揭示基因調(diào)控和非整倍體中的基因表達(dá)起到非常重要的作用。