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1、第五节 剂量补偿效应一、Barr小体早在1949年Barr等人发现在雌猫的神经细胞间期核中有一个染色很 深的染色质小体，而雄猫中没有。后来在大部分正常女性表皮口腔颊膜， 羊水等许多组织的间期核中也找到一个特征性的、浓缩的染色质小体，而 男性无。由于这种染色质小体与性别及 X 染色体数目有关，所以称为性染 色质体(sex-chromatin body)，又名巴氏小体(Barr body)。这是一种浓 缩的、惰性的异染色质化的小体。雄性也有一条X染色体，为什么不浓缩？ 问题的解释来自下列研究。二、剂量补偿效应在果蝇和哺乳动物中，X染色体上的基因在纯合的雌性细胞中有相同 的两份，而雄性体细胞中只有一
2、份。可是在雌体与雄体的表型表现上却看 不出任何显著的差别。这种现象的遗传机制是由于存在一种剂量补偿效 应。所谓剂量补偿效应(dosage compensation effect)指的是在XY性别 决定机制的生物中，使性连锁基因在两种性别中有相等或近乎相等的有效 剂量的遗传效应。也就是说，在雌性和雄性细胞里，由X染色体基因编码 产生的酶或其他蛋白质产物在数量上相等或近乎相等。剂量补偿有两种情 况，一种是X染色体的转录速率不同。例如果蝇雌性的细胞中两条X染色 体都是有活性的，但它们的转录速率低于雄性细胞里的单条X染色体的转 录速率，因此，雌性和雄性细胞里X染色体的基因产物在量上是相近的。 另一种情
3、况则是雌性细胞中有一条X染色体是失活的，所以无论是雌性还 是雄性细胞都只有一条X染色体是有活性的。哺乳类和人类属于这种情 况。三、Lyon 假说M.F.Lyon提出了阐明哺乳动物剂量补偿效应和形成Barr body的X 染色体失活的假说(Lyon hypo thesis)。其主要内容是：(一) 正常雌性哺乳动物的体细胞中，两条X染色体中只有一条X染色 体在遗传上有活性(activation X,X)，另一条在遗传上无活性(inactivation X,Xi)。其结果使X连锁基因得到剂量补偿，保证染色体 为XX的雌性和XY的雄性具有相同的有效基因产物。(二) 失活是随机的。在同一哺乳动物的体细胞
4、中，有些细胞里父源的 X染色体失活；另一些细胞里，母源的X染色体失活。(三) 失活发生在胚胎发育的早期，例如人类，在胚胎发育第 16 天时 (合子细胞增殖到56千个细胞时)发生失活。某一个细胞的一条X染色 体一旦失活，这个细胞的所有后代细胞中的该X染色体均处于失活状态。（四）杂合体雌性在伴性基因的作用上是嵌合体（mosaic）某些细 胞中来自父方的伴性基因表达，某些细胞中来自母方的伴性基因表达，这 两类细胞随机地相嵌存在。Lyon 假说得到一些有力的证据，例如，玳瑁猫的毛皮上有黑色和黄 色斑块的几乎总是雌性杂合体。这是由于黄色毛皮（orange,0基因）是黑 色毛皮（black,。基因）的一个
5、显性等位基因，由X染色体所携带。雌性杂 合玳瑁猫（基因型XoXo）的X染色体在发育早期细胞中随机失活。Xo染色体 失活的细胞的有丝分裂后代细胞产生黑色毛皮斑点；X。染色体失活则呈现 黄色毛皮斑点。偶然发现的杂合玳瑁雄猫的染色体组成总是XoXoY，每个 体细胞有一个 Barr 小体。而最有力的支持是来自对各个细胞及其后裔的酶组成或代谢活性的 研究。在这类研究中以X连锁的葡萄糖-6-磷酸脱氢酶基因最具典型性。 酶活性的测定是当取自GdA/GdB杂合妇女的皮肤细胞原始培养物时，电泳 图谱上出现A、B两种条带。后来检测单个细胞的培养物时（克隆培养）， 它们或者完全表现为A型条带，或者完全为B型条带。在
6、取自6个杂合妇 女（GdAGdB）的54个克隆培养物中，发现有24个产生了 A型酶（Gdp失活）， 30个产生了 B型酶（GdA失活），（图3-7）。人类另一种X连锁的遗传病自毁容貌综合征（Lesch-Nyhan syndrome）是X染色体上的次黄嘌吟磷酸核糖酰转移酶（HPRT）基因缺陷。 从HPRT+ / HPRT-的杂合体妇女身上取得的皮肤细胞在体外培养，使每个细 胞分裂形成细胞克隆。酶活性的测定发现将近一半的细胞克隆产生HPRT， 另一半克隆则没有HPRT。由此也验证了 Lyon假说的正确性。此外，细胞学的研究发现Barr小体的数目正好是X染色体数目减1。 设X染色体数为n，则Barr
7、小体数目=n-1。XXX女人的体细胞间期核中有 两个Barr小体（3-1=2） ； XXXX女人中有3个Barr小体（4-1=3）。因此可 以类推在XX、XXX和XXXX个体的核内都同样地只存在一条有活性的X染 色体，因为Barr小体的浓缩状态就相当于女性细胞一条X染色体的基因 的失活。培养.：3-7眼己一平有AB表型的G-6-FD性质范电泳册 間比总窿代之前的一份培养物，撮示胡帝軒険 带仅在-昭隆1* 2-, 4s 8s 9中显挤A.:快土克 隆3s 6-, 丁炉昼峦总之，X染色体在哺乳动物中的失活是指在任何二倍体的哺乳动物细 胞中，无论存在几条X染色体，都只有一条X染色体保持活性。这个过程
8、 使X连锁基因得到剂量补偿，保证染色体为XX的女性和XY的男性具有相 同的有效基因产物。X染色体失活是发育过程中独特的调节机制。该机制调节着整个X染 色体上基因的表达。在人类X染色体上，涉及到15 000万个碱基对和几 千个基因，都是细胞的活性所必需的。近年来，人们对X染色体失活的机制和Lyon假说的实质的认识有了 新的补充和发展。四、X染色体随机失活的分子机制进入20世纪90年代以来，人们对X染色体失活的本质有了一些新的 认识，特别是对人类X染色体失活机制的研究方面取得了令人兴奋的进 展。（一）大多数的X连锁基因在胚胎早期发育过程中表现为稳定的转录 失活，但并非整条X染色体上的所有基因均失活
9、。在X染色体的短臂远端 编码细胞表面蛋白的基因MIC（由单克隆抗体2E、F鉴定出的抗原）、 XG（Xg血型）、以及甾固醇硫酸酯酶基因STS是逃避失活的，还有与Y染 色体配对的区域内或处于附近的基因，也有短臂近端或长臂上的基因，这 些基因既可由 Xa 也可由 Xi 表达；其中有定位于 Xp21.3Xp22.1 的 ZFX 基因（与 Y染色体上的锌指蛋白基因ZFY同源的序列），位于Xp11的 A1S9T（与小鼠DNA合成突变互补的序列）以及最近在长臂Xq13上发现的 RPS4X基因（核糖体S4蛋白）该基因在Y染色体上还有一个同源序列RPS4Y 的基因。此外，在失活X染色体上还发现了一个可转录的X1
10、ST基因，该 基因可能与 X 染色体失活机制有关。（二）在失活的 X 染色体上，表达的基因（逃避失活的基因）与失活基因 是穿插排列的。这意味着失活基因转录的关闭不是由它们所在的区域决定 的，而是与某些位点有关（图 3-8）。TC CYBrHFRT 匚G6PD 匚（三）在X染色体上存在一个特异性失活位点，即所谓X失活中心（X inactivation center,XIC）。最初的线索是来自X染色体异常的突变小鼠， 它们的X染色体不出现失活，同时观察到这些X染色体缺失了一个特定区 段。于是把这个长约680 kb1200 kb的区段称为X染色体失活中心。小 鼠以Xic表示，人以XIC表示。该失活中
11、心可能产生一个失活信号，关闭 X染色体上几乎所有基因的转录。Brown等（1991）用分子杂交方法，以 Xq11q12区域的DNA为探针，对一组带有结构畸变的X染色体的杂交细 胞系的DNA进行杂交，将XIC较精确地定位在Xq13，继而，他们又在XIC 的同一区域内鉴定出了一个新的基因即X染色体失活特异转录子（X inactive specific transcripts,XIST），与 RPS4X 相邻。研究表明 XIST 的表达产物是一种顺式作用的核RNA，而不编码生成蛋白质。而且发现只 有在失活的X染色体存在的情况下，才有XIST的转录。有活性的X染色 体上不表达。XIST转录物的大小在人
12、类中是17 kb，小鼠是15 kb，两者 间的同源性很低。关于XIST的功能尚不十分清楚。XIST可能是在XIC位 点内与其他相关基因共同作用，使X染色体上的大部分基因失活；XIST 产物可能作用于XIC，而XIC则产生某种物质与诱导失活的分子相互作用； 但也有可能是外源的调节分子作用于XIC，引起失活，然后使失活的X染 色体表达XIST基因；即有可能XIST不直接参加失活，仅仅受失活的影响。 研究表明，小鼠胚胎在X染色体失活前都发现有XIST基因的转录产物， 预示该基因可能对启动X染色体失活起作用。总之，上述这些研究结果改变了人们对莱昂假说的传统观念，把X染 色体失活的研究推向了一个新的阶段
13、。随着X染色体上克隆基因的增多和 研究的不断深入，也许发现逃避失活的基因还将增加。毫无疑问，作为失 活中心的候选基因XIST的发现和克隆，以及X染色体失活中心的定位， 为X染色体失活机制的研究提供了新的信息和重要线索，从而在分子水平 上对莱昂假说进行了必要的补充和完善。不言而喻，在一个动物的生命周期中，X染色体活性应存在着由失活 和重新激活的循环。早期雌性胚胎中两条X染色体都有活性，失活发生在 特定的发育阶段。在鼠中，受孕后第46天；在人中是胚胎发育至第16 天以后其中一条X染色体随机失活。除生殖细胞外，在这个个体随后的整 个生命中，每条X染色体在以后的有丝分裂中，保持它的活性或无活性状 态。而在雌性生殖细胞中，已失活的X染
