Eine Frage der Dosis - Warum männliche Fliegen überleben

Pressemitteilung vom 29.11.2006
Zu diesem Thema spricht der Münchner Leibniz-Preisträger Prof. Dr. Peter Becker (Adolf-Butenandt-Institut der LMU) im Rahmen des Biologischen Kolloquiums der Universität Leipzig. Die Moderation liegt bei seinem Leipziger Kollegen Prof. Dr. Heinz Sass.
Zeit 04. Dezember 2006, 17:00 Uhr
Ort Institut für Biologie II
Kleiner Hörsaal
Talstraße 33

Die sexuelle Fortpflanzung der Organismen wurde möglich durch die Entwicklung von Geschlechtschromosomen. Ihre Anzahl pro Sex ist verschieden. In Menschen und Fruchtfliegen (Drosophila melanogaster) besitzen weibliche Individuen zwei X-Chromosomen. Männliche Individuen haben ein X- und ein Y-Chromosom. Infolgedessen variiert auch die Menge sex-chromosomaler Gene zwischen den Geschlechtern. Auf den X-Chromosomen vorhandene Gene existieren zweimal in Weibchen und einmal in Männchen. Verblüffenderweise ist aber die Menge X-chromosomaler Genprodukte beider Geschlechter gleich. Diese Angleichung nennt man Dosiskompensation.
Der Prozeß der (Gen-)Dosiskompensation ist von großem Interesse für das grundlegende Verständnis, wie Chromatin, als unterschiedlich dichte Verpackung der Chromosomen, Änderungen der Genexpression steuert. Genetische Studien haben bislang 5 Proteine und 2 nicht-codierende RNAs identifiziert, die als Dosiskompensationskomplex für zweifach höhere Transkription der meisten Gene im männlichen X-Chromosom von Drosophila melanogaster sorgen. Ein Ausfall der Dosiskompensation ist letal.

Dosiskompensation wurde zuerst in Drosophila beobachtet. Der spätere Nobelpreisträger Herman Muller (USA) entdeckte 1931 das Fehlen des sexuellen Dimorphismus für das Gen white-apricot. Beide Geschlechter zeigen den gleichen orange-äugigen Phänotyp, obwohl Männchen 1 white-apricot-Genkopie und Weibchen 2 white-apricot-Genkopien besitzen.

Welche Arten der Dosiskompensation es gibt, mit welcher Chromosomenstruktur der Prozess einhergeht, und welche DNA-Sequenzen eines X-chromosomalen Gens die Dosiskompensation steuern, das erklärt Prof. Becker.

Hintergrund:

Verschiedene Arten von Dosiskompensation

  • In Drosophila werden für die Dosiskompensation die meisten X-chromosomalen Gene im Männchen zweifach stärker transkribiert als die entsprechenden Gene im Weibchen (siehe z. B.: Sass und Meselson, 1991).

  • In Säugetieren wird die Dosiskompensation erzielt durch Ausschalten der Transkription in einem der beiden X-Chromosomen im weiblichen Sex (XX). Dadurch wird jede weibliche Zelle funktionell haploid für das X-Chromosom, so wie es jede männliche Zelle ist.

  • Im Nematoden Caenorhabditis elegans erniedrigt ein bestimmter Satz von Genen die X-chromosomale Transkription im Zwittersex (XX) so, dass sein Expressionsverhalten dem einzelnen X-Chromosom von XO-Männchen entspricht.
Fazit ist, verschiedene Organismen haben verschiedene molekulare Mechanismen für die Dosiskompensation entwickelt. Das Netto-Resultat ist aber in allen Fällen dasselbe: Die Gleichwertigkeit X-chromosomaler Genexpression.

Chromosomenstruktur
  1. Der Prozeß der Dosiskompensation geht mit einer besonderen Chromosomenstruktur einher. Beim Menschen wird die Kompensation erzielt durch Inaktivierung eines der beiden X-Chromosomen. Bei Frauen ist das inaktive X, cytologisch als kondensierte Chromatinstruktur, als sogenannter Barr-Körper sichtbar.

  2. Drosophila-Weibchen haben 2 aktive X-Chromosomen. In polytänen Interphase-Chromosomen aus z. B. larvalen Speicheldrüsen sieht das X haploid aus, da die beiden XX-Homologen (ebenso wie die 3 Autosomen) somatisch gepaart sind (siehe Abb. a).

  3. Drosophila-Männchen besitzen nur 1 X-Chromosom (und 1 Y; letzteres ist als Teil des Chromozentrums nicht erkennbar). Die Struktur des männlichen, hemizygoten X ist extrem aufgelockert. Deshalb ist es ebenso breit wie das weibliche, homozygote XX, aber deutlich blasser (siehe Abb. b). Diese markanten Strukturunterschiede reflektieren X-chromosomale Aktivitätsunterschiede in weiblichen und männlichen Tieren.
Das erste, was Genetiker entdeckt haben, ist, dass der Dosiskompensationskomplex für seine Bildung die Proteine von 5 Genen benötigt. Es handelt sich um "männchen-spezifische-Letalgene" (msl), nämlich msl1, msl2, msl3 (male-specific-lethal), mle (maleless) und mof (males-absent-on-the-first). Der Ausfall eines dieser Gene ist für Männchen letal, für Weibchen ist es ohne Wirkung. Vier dieser Gene werden in beiden Geschlechtern exprimiert. Weibchen fehlt MSL2-Protein. In Männchen bildet MSL2 mit den übrigen vier Proteinen MSL1, MSL3, der RNA-Helikase MLE und der Histonacetyltransferase MOF einen Multiproteinkomplex, kollektiv MSL genannt. Dieser Komplex ist nicht dafür bekannt, typische DNA-Bindungsproteine zu beinhalten. Somit war es lange eine offene Frage, wie der MSL-Komplex zwischen X-Chromosomen und Autosomen unterscheidet und schließlich seine Zielstellen im männlichen X-Chromosom erkennt.

Überraschenderweise wurden zwei nicht-codierende, kernständige RNAs als Produkte der X-chromosomalen Gene roX1 und roX2 (RNA-on-X) entdeckt, die das gleiche räumliche und zeitliche Expressionsmuster wie MSL-Protein zeigen. roX1- und roX2-RNAs haben wenig Sequenzhomologie und sind 3,6 kb bzw. etwa 0,5 kb groß. Diese RNAs bilden mit MSL einen männchen-spezifischen Ribonukleoproteinkomplex (RNP). Die mechanistische Funktion dieser beiden RNAs im RNP-Komplex ist unklar. Allem Anschein nach haben roX-RNAs Führungsfunktion. Wie Antikörperfärbungen zeigen, bindet dieser RNP-Komplex an Hunderte von Stellen entlang des X-Chromosoms in Männchen, aber nicht in Weibchen.

In Mutanten, die gleichzeitig beide roX-RNAs nicht exprimieren, fehlt die MSL-Bindung am männlichen X. Für die Führungsfunktion der roX-RNAs spricht weiterhin, dass ein in ein Autosom plaziertes transgenes roX-Gen, am Insertionsort in Männchen den Dosiskompensationskomplex rekrutiert und dessen cis-ständige Ausbreitung in die umgebende Chromosomenregion initiiert.

Ein Thema großer Brisanz: Welche DNA-Sequenzen eines X-chromosomalen Gens steuern die Dosiskompensation?
  1. Denkbar ist, jedes X-chromosomale Gen hat seine eigenen cis-regulatorischen Determinanten für die Kompensation. Sie liegen nahe zum Promotor des Gens, dessen Aktivität sie kontrollieren.

  2. Alternativ existieren Transkription-verstärkende cis-Elemente über das X-Chromosom verstreut. Sie verstärken die Aktivität vieler, funktionell verschiedener Gene. Solche Transkriptionsverstärker werden genübergreifend nur in Männchen aktiv und führen zur Dosiskompensation.
Eine zuverlässige und extrem empfindliche Methode hat weitergeholfen, den Dosiskompensationskomplex auf dem männlichen X zu kartieren. Bei der Chromatin-Immunpräzipitation (ChIP) werden durch Formaldehydbehandlung von Zellen die Chromatinkomplexe auf der DNA fixiert und durch Antikörper gegen den Dosiskompensationskomplex werden die bindenden DNA-Sequenzen bestimmt. Die Ergebnisse der Arbeitsgruppen von Prof. Peter Becker (LMU-München) und Prof. Mitzi Kuroda (Harvard Univ.) zeigen, dass der Dosiskompensationskomplex nicht an eine bestimmte DNA-Sequenz regulatorischer Promotor- und Enhancer-Elemente bindet, sondern die Transkriptionsverstärkung allem Anschein nach durch verbesserte Elongationsleistung von RNA-Polymerase II im codierenden Genbereich erfolgt. Unbekannt ist, welcher Mechanismus, welche verschiedenen cis-ständigen DNA-Motive/Determinanten gemeinsam die Chromosomenstruktur des männlichen X so abwandeln, das die 2-fach höhere Gentranskription bewirkt. Das kürzlich von der Arbeitsgruppe von Prof. J. Lucchesi (Emory Univ., USA) entdeckte Vorkommen eines Proteinkomplexes in menschlichen Zellen, der große Ähnlichkeit mit dem Dosiskompensationskomplex von Drosophila hat, lässt vermuten, dass beide Systeme ähnliche biochemische Mechanismen nutzen, um die X-chromosomale Transkription zu modulieren.

Originalveröffentlichung: Sass, H., and M. Meselson (1991). Dosage compensation of the Drosophila pseudoobscura Hsp82 gene and the Drosophila melanogaster Adh gene at ectopic sites in D. melanogaster. Proc. Acad. Sci. USA 88:6795-6799.

Heinz Sass