Компенсация дозы генов: механизмы и эволюция

Введение

Компенсация дозы – это процесс, посредством которого организмы выравнивают экспрессию генов между особями разных биологических полов. У разных видов часто встречаются различные типы и количество половых хромосом. Чтобы нейтрализовать значительную разницу в дозировке генов, обусловленную различным числом половых хромосом у разных полов, различные эволюционные ветви приобрели разнообразные методы для уравнивания экспрессии генов между полами. Поскольку половые хромосомы содержат разное количество генов, разные виды организмов разработали различные механизмы для преодоления этого неравенства. Репликация гена как такового невозможна; поэтому организмы вместо этого уравнивают экспрессию от каждого гена. Например, у человека в женских (XX) клетках происходит случайное подавление транскрипции одной X-хромосомы, при этом вся информация транскрибируется с другой, экспрессируемой X-хромосомы. Таким образом, у женщин человека количество экспрессируемых генов, сцепленных с X-хромосомой, на клетку такое же, как и у мужчин (XY), поскольку оба пола имеют по сути одну X-хромосому на клетку, с которой транскрибируют и экспрессируют гены. Разные линии эволюции выработали различные механизмы для преодоления различий в количестве копий генов между полами, наблюдаемых на половых хромосомах. Некоторые линии развили компенсацию дозы – эпигенетический механизм, который восстанавливает экспрессию генов, специфичных для X или Z, в гетерогаметическом поле до уровней, наблюдаемых у предка до эволюции половых хромосом. Другие линии уравнивают экспрессию генов, специфичных для X или Z, между полами, но не до предковых уровней, то есть они обладают неполной компенсацией с "балансом дозы". Примером этого является инактивация X-хромосомы, происходящая у человека. Третий задокументированный тип механизма регуляции дозы гена – неполная компенсация без баланса (иногда называемая неполной или частичной компенсацией дозы). В этой системе экспрессия генов, специфичных для пола, снижается в гетерогаметическом поле, то есть у самок в системах ZZ/ZW и у самцов в системах XX/XY. Существует три основных механизма достижения компенсации дозы, которые широко описаны в литературе и распространены у большинства видов. К ним относятся случайная инактивация одной X-хромосомы у самок (как наблюдается у человека и Mus musculus; это называется инактивацией X), двукратное увеличение транскрипции единственной X-хромосомы у самцов (как наблюдается у Drosophila melanogaster) и снижение транскрипции вдвое в обеих X-хромосомах гермафродита (как наблюдается у Caenorhabditis elegans). Эти механизмы были широко изучены и использовались в модельных организмах, обычно применяемых в лабораторных исследованиях. Ниже приведена сводка этих форм компенсации дозы. Однако существуют и другие, менее распространенные формы компенсации дозы, которые изучены в меньшей степени и иногда специфичны только для одного вида (как это наблюдается у некоторых видов птиц и однопроходных).

Dosage compensation is the process by which organisms equalize the expression of genes between members of different biological sexes. Across species, different sexes are often characterized by different types and numbers of sex chromosomes. In order to neutralize the large difference in gene dosage produced by differing numbers of sex chromosomes among the sexes, various evolutionary branches have acquired various methods to equalize gene expression among the sexes. Because sex chromosomes contain different numbers of genes, different species of organisms have developed different mechanisms to cope with this inequality. Replicating the actual gene is impossible; thus organisms instead equalize the expression from each gene. For example, in humans, female (XX) cells randomly silence the transcription of one X chromosome, and transcribe all information from the other, expressed X chromosome. Thus, human females have the same number of expressed X linked genes per cell as do human males (XY), both sexes having essentially one X chromosome per cell, from which to transcribe and express genes. Different lineages have evolved different mechanisms to cope with the differences in gene copy numbers between the sexes that are observed on sex chromosomes. Some lineages have evolved dosage compensation, an epigenetic mechanism which restores expression of X or Z specific genes in the heterogametic sex to the same levels observed in the ancestor prior to the evolution of the sex chromosome. Other lineages equalize the expression of the X or Z specific genes between the sexes, but not to the ancestral levels, i. e. they possess incomplete compensation with "dosage balance". One example of this is X inactivation which occurs in humans. The third documented type of gene dose regulatory mechanism is incomplete compensation without balance (sometimes referred to as incomplete or partial dosage compensation). In this system gene expression of sex specific loci is reduced in the heterogametic sex i. e. the females in ZZ/ZW systems and males in XX/XY systems. There are three main mechanisms of achieving dosage compensation which are widely documented in the literature and which are common to most species. These include random inactivation of one female X chromosome (as observed in humans and Mus musculus; this is called X inactivation), a two fold increase in the transcription of a single male X chromosome (as observed in Drosophila melanogaster), and decreased transcription by half in both of the X chromosomes of a hermaphroditic organism (as observed in Caenorhabditis elegans). These mechanisms have been widely studied and manipulated in model organisms commonly used in the laboratory research setting. A summary of these forms of dosage compensation is illustrated below. However, there are also other less common forms of dosage compensation, which are not as widely researched and are sometimes specific to only one species (as observed in certain bird and monotreme species).

Случайная инактивация одного ♀ X

Один из логических способов уравновесить экспрессию генов у самцов и самок, следующих схеме дифференциации по полу XX/XY, заключался бы в снижении или полном устранении экспрессии одной из X-хромосом у XX, или женского, гомогаметического индивидуума, так, чтобы и самцы, и самки экспрессировали только одну X-хромосому. Это наблюдается у многих млекопитающих, включая человека и мышей. Эти структуры, которые они наблюдали в зрелой соматической ткани разных женских видов, оказались пакетами конденсированного гетерохроматина, однако потребовалось десятилетие, чтобы ученые осознали значимость этой специализированной ДНК. Затем, в 1959 году, Сусуму Оно доказал, что эти спутникоподобные структуры, обнаруженные исключительно в женских клетках, действительно происходят из женских X-хромосом. Он назвал эти структуры тельцами Барра в честь одного из исследователей, первоначально описавших их существование. Исследования Оно над тельцами Барра у самок млекопитающих с несколькими X-хромосомами показали, что такие самки используют тельца Барра для инактивации всех, кроме одной из своих X-хромосом. Таким образом, Оно сформулировал правило "n-1" для предсказания количества тельц Барра у самки с n X-хромосомами в ее кариотипе, что объясняло разнородные окраски шерсти, которые она наблюдала у своих мозаичных мышей. Этот процесс известен как инактивация X-хромосомы и иногда называется "лионизацией". Следовательно, если предположить, что гены, определяющие цвет шерсти, сцеплены с X-хромосомой, то логично, что инактивация материнской или отцовской X-хромосомы в конкретной клетке шерсти может приводить к дифференциальной экспрессии цвета шерсти. В 1962 году Эрнест Бётлер использовал линии клеток женских фибробластов, культивируемых in vitro, чтобы продемонстрировать наследуемость лионизации, или случайной инактивации X-хромосомы. Анализируя дифференциальную экспрессию двух жизнеспособных аллелей гена глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы (G6PD), сцепленного с X-хромосомой, Бётлер обнаружил, что инактивация гена наследуется в последующих поколениях клеток. Этот механизм компенсации дозы, вызванный случайной инактивацией X-хромосомы, регулируется в процессе развития у самок млекопитающих, следуя согласованным закономерностям на протяжении всего развития; например, в начале развития большинства самок млекопитающих обе X-хромосомы изначально экспрессируются, но постепенно подвергаются эпигенетическим изменениям, чтобы в конечном итоге достичь случайной инактивации одной из них. Кроме того, 10-25% генов человеческой X-хромосомы и 3-7% генов мышиной X-хромосомы за пределами PAR проявляют слабую экспрессию с неактивной X-хромосомы. Случайная инактивация X-хромосомы требует, чтобы клетка могла определить, содержит ли она более одной активной X-хромосомы, прежде чем приступить к подавлению активности любых дополнительных X-хромосом. Этот процесс известен как "подсчет". Концепция компенсации дозы фактически возникла из понимания организмов, у которых самцы повышали экспрессию генов, сцепленных с X-хромосомой, в два раза, и позже была расширена для учета наблюдения за некогда загадочными тельцами Барра. Еще в 1932 году Х. Дж. Мюллер провел серию экспериментов, которые позволили ему отслеживать экспрессию цвета глаз у мух, гена, сцепленного с X-хромосомой. Мюллер ввел мутантный ген, вызывающий потерю пигментации в глазах мух, и впоследствии заметил, что самцы с одной копией мутантного гена имели аналогичную пигментацию с самками с двумя копиями мутантного гена. Это привело Мюллера к формулировке термина "компенсация дозы" для описания наблюдаемого явления уравнивания экспрессии генов. Несмотря на эти достижения, только после того, как Ардхенду Мукерджи и В. Бирманн провели более сложные эксперименты по авторадиографии в 1965 году, ученые смогли подтвердить, что транскрипция генов в единственной X-хромосоме самца в два раза выше, чем в двух X-хромосомах самки. Мукерджи и Бирманн подтвердили это, разработав эксперимент по клеточной авторадиографии, который позволил им визуализировать включение в рибонуклеиновую кислоту X-хромосом. Их исследования показали одинаковый уровень включения в единственной X-хромосоме самца и двух X-хромосомах самки. Таким образом, исследователи пришли к выводу, что двукратное увеличение скорости синтеза РНК в X-хромосоме самца по сравнению с самкой может объяснить гипотетическую компенсацию дозы Мюллера. В случае двукратного увеличения транскрипции единственной X-хромосомы самца, тельце Барра не требуется, и организм-самец должен использовать другие генетические механизмы для увеличения транскрипционной активности своей единственной X-хромосомы. В таких организмах часто Y-хромосома необходима для мужского плодородия, но не играет явной роли в определении пола. Например, у дрозофилы ген sex lethal (SXL) действует как ключевой регулятор дифференциации и созревания пола в соматических тканях; у XX-особей SXL активируется для подавления повышенной транскрипции, а у XY-особей SXL неактивен и позволяет развитию самца посредством повышенной транскрипции единственной X-хромосомы. Комплекс Male Specific Lethal, состоящий из белков и РНК, связывается и селективно модифицирует сотни генов, сцепленных с X-хромосомой, увеличивая их транскрипцию до уровней, сравнимых с самками D. melanogaster. В организмах, использующих этот метод компенсации дозы, наличие одной или нескольких X-хромосом должно быть обнаружено на ранних стадиях развития, поскольку неспособность инициировать соответствующие механизмы компенсации дозы приводит к летальному исходу. Современные представления предполагают, что связывание MSL2 в нескольких местах вдоль гена SXL у самок предотвращает правильный трансляцию MSL2 и, следовательно, как было сказано ранее, подавляет возможность повышения экспрессии генов, сцепленных с X-хромосомой, у самок. Однако все остальные факторы транскрипции семейства MSL — maleless, MSL1 и MSL3 — способны действовать, когда SXL не экспрессируется, как это происходит у самцов. Эти факторы действуют для увеличения транскрипционной активности X-хромосомы самца. Ацетилирование гистонов и последующее повышение экспрессии генов, сцепленных с X-хромосомой, у самцов диктуется комплексом MSL. В частности, специальные некодирующие РНК roX в комплексах MSL облегчают связывание с единственной X-хромосомой самца и диктуют ацетилирование определенных локусов вдоль X-хромосомы, а также формирование эухроматина. Хотя эти РНК связываются в определенных местах вдоль X-хромосомы самца, их эффекты распространяются по всей длине хромосомы и способны влиять на масштабные модификации хроматина. Считается, что последствия этого распространяющегося эпигенетического регулирования вдоль X-хромосомы самца имеют значение для понимания передачи эпигенетической активности вдоль длинных геномных участков. Черви с двумя X-хромосомами (XX-черви) развиваются как гермафродиты, в то время как черви только с одной X-хромосомой (XO-черви) развиваются как самцы. Эта система определения пола уникальна, поскольку нет мужской специфической хромосомы, как это происходит в системах определения пола XX/XY. Однако, как и в случае ранее обсуждавшихся механизмов компенсации дозы, неспособность правильно экспрессировать гены, сцепленные с X-хромосомой, все равно может быть летальной. В этой системе определения пола XX/XO экспрессия генов на X-хромосоме уравновешивается путем снижения экспрессии генов на обеих X-хромосомах гермафродитных XX-организмов вдвое. Этот комплекс имеет решающее значение для конденсации и сегрегации хромосом как во время мейоза, так и во время митоза. Поскольку данные подтверждают теорию о том, что компенсация дозы у других видов вызвана модификациями всего хроматина, многие предполагают, что DCC в частности функционирует аналогично комплексу конденсина в своей способности конденсировать или реконструировать хроматин X-хромосомы. Роль DCC в этой форме компенсации дозы была постулирована Барбарой Дж. Мейер в 1980-х годах, а ее индивидуальные компоненты и их кооперативная функция были позже изучены ее лабораторией. Важно отметить,...

One logical way to equalize gene expression amongst males and females that follow a XX/XY sex differentiation scheme would be to decrease or altogether eliminate the expression of one of the X chromosomes in an XX, or female, homogametic individual, such that both males and females then express only one X chromosome. This is the case in many mammalian organisms, including humans and mice. which they observed were present in the mature somatic tissue of different female species. Further characterization of these satellites revealed that they were actually packages of condensed heterochromatin, but a decade would pass before scientists grasped the significance of this specialized DNA. Then, in 1959 Susumu Ohno proved that these satellite like structures found exclusively in female cells were actually derived from female X chromosomes. He called these structures Barr bodies after one of the investigators who originally documented their existence. Ohno's studies of Barr bodies in female mammals with multiple X chromosomes revealed that such females used Barr bodies to inactivate all but one of their X chromosomes. Thus, Ohno described the "n 1" rule to predict the number of Barr bodies in a female with n number of X chromosomes in her karyotype. which explained the heterogeneous fur patterns she observed in her mosaic mice. This process is known as X inactivation, and is sometimes referred to as "lyonization". Thus, presuming that hair color determining genes are X linked, it makes sense that whether the maternal or paternal X chromosome is inactivated in a particular hair cell can result in differential fur color expression. Compounding on Lyon's discoveries, in 1962 Ernest Beutler used female fibroblast cell lineages grown in culture to demonstrate the heritability of lyonization or random X inactivation. By analyzing the differential expression of two existing, viable alleles for the X linked enzyme glucose 6 phosphate dehydrogenase (G6PD) gene, Beutler observed that the inactivation of the gene was heritable across passaged generations of the cells. This pattern of dosage compensation, caused by random X inactivation, is regulated across development in female mammals, following concerted patterns throughout development; for example, at the beginning of most female mammal development, both X chromosomes are initially expressed, but gradually undergo epigenetic processes to eventually achieve random inactivation of one X. Additionally, 10 25% of human X chromosome genes, and 3 7% of mouse X chromosome genes outside of the PARs show weak expression from the inactive X chromosome. Random X inactivation demands that the cell can determine if it contains more than one active X chromosome before acting to silence any extraneous X chromosome(s). This process is known as "counting". The concept of dosage compensation actually originated from an understanding of organisms in which males upregulated X linked genes two fold, and was much later extended to account for the observation of the once mysterious Barr bodies. As early as 1932, H. J. Muller carried out a set of experiments which allowed him to track the expression of eye color in flies, which is an X linked gene. Muller introduced a mutant gene that caused loss of pigmentation in fly eyes, and subsequently noted that males with only one copy of the mutant gene had similar pigmentation to females with two copies of the mutant gene. This led Muller to coin the phrase "dosage compensation" to describe the observed phenomenon of gene expression equalization. Despite these advances, it was not until Ardhendu Mukherjee and W. Beermann performed more advanced autoradiography experiments in 1965 that scientists could confirm that transcription of genes in the single male X chromosome was double that observed in the two female X chromosomes. Mukherjee and Beermann confirmed this by designing a cellular autoradiography experiment that allowed them to visualize incorporation of into ribonucleic acid of the X chromosomes. Their studies showed equal levels of incorporation in the single male X chromosome and the two female X chromosomes. Thus, the investigators concluded that the two fold increase in the rate of RNA synthesis in the X chromosome of the male relative to those of the female could account for Muller's hypothesized dosage compensation. In the case of two fold increased transcription of a single male X chromosome, there is no use for a Barr body, and the male organism must use different genetic machinery to increase the transcriptional output of their single X chromosome. It is common in such organisms for the Y chromosome to be necessary for male fertility, but not for it to play an explicit role in sex determination. In Drosophila, for example, the sex lethal (SXL) gene acts as a key regulator of sexual differentiation and maturation in somatic tissue; in XX animals, SXL is activated to repress increased transcription, while in XY animals SXL is inactive and allows male development to proceed via increased transcription of the single X. The Male Specific Lethal complex, composed of protein and RNA binds and selectively modifies hundreds of X linked genes, increasing their transcription to levels comparable to female D. melanogaster. In organisms that use this method of dosage compensation, the presence of one or more X chromosomes must be detected early on in development, as failure to initiate the appropriate dosage compensation mechanisms is lethal. Current dogma suggests that the binding of MSL 2 at multiple sites along the SXL gene in females prevents proper MSL 2 translation, and thus, as previously stated, represses the possibility for X linked genetic upregulation in females. However, all other transcription factors in the MSL family—maleless, MSL 1, and MSL 3—are able to act when SXL is not expressed, as in the case in males. These factors act to increase male X chromosome transcriptional activity. Histone acetylation and the consequent upregulation of X linked genes in males is dictated by the MSL complex. Specifically, special roX non coding RNAs on the MSL complexes facilitate binding to the single male X chromosome, and dictate acetylation of specific loci along the X chromosome as well as the formation of euchromatin. Though these RNAs bind at specific sites along the male X chromosome, their effects spread along the length of the chromosome and have the ability to influence large scale chromatin modifications. The implications of this spreading epigenetic regulation along the male X chromosome is thought to have implications for understanding the transfer of epigenetic activity along long genomic stretches. worms with two X chromosomes (XX worms) develop as hermaphrodites, whereas those with only one X chromosome (XO worms) develop as males. This system of sex determination is unique, because there is no male specific chromosome, as is the case in XX/XY sex determination systems. However, as is the case with the previously discussed mechanisms of dosage compensation, failure to express X linked genes appropriately can still be lethal. In this XX/XO sex determination system, gene expression on the X chromosome is equalized by downregulating expression of genes on both X chromosomes of hermaphroditic XX organisms by half. which is conserved across the mitotic and meiotic processes of many species. This complex is crucial to the condensation and segregation of chromosomes during both meiosis and mitosis. Because data substantiates the theory that dosage compensation in other species is caused by chromatin wide modifications, many theorize that the DCC in particular functions similar to the condensin complex in its ability to condense or remodel the chromatin of the X chromosome. The role of the DCC in this form of dosage compensation was postulated by Barbara J. Meyer in the 1980s, and its individual components and their cooperative function were later parsed out by her lab. Notably, in 1999, data from Meyer's lab showed that SDC 2 is a particularly important transcriptional factor for targeting the DCC to the X chromosome and for assembling DCC components onto the X chromosomes in XX embryos. More recently, Meyer's lab has shown that proteins known as X linked signal elements (XSEs) operate in concert with SDC 2 to differentially repress and activate other genes in the dosage compensation pathway. By selectively mutating a panel of genes hypothesized to contribute to dosage compensation in worms, Meyer's group demonstrated which XSEs specifically play a role in determining normal dosage compensation. They found that during embryonic development, several X linked genes—including sex 1, sex 2, fox 1, and ceh 39—act in a combinatorial fashion to selectively repress transcriptional activity of the xol 1 gene in hermaphrodites. Xol 1 expression is tightly regulated during early development, and is considered the most upstream gene in sex determination of C. elegans. In fact, xol 1 is often referred to in the literature as the master sex regulatory gene of C. elegans. XX C. elegans embryos have much lower xol 1 expression than their XO counterparts, resulting from overall increases in the amount of SEX 1, SEX 2, CEH 39, and FOX 1 transcription produced in the female embryos. This consequent decrease in xol 1 expression then allows higher SDC 2 expression levels, which aids in the formation and function of the DCC complex in the XX hermaphroditic worms, and in turn results in equalized expression of X linked genes in the hermaphrodite. Though all of the above mentioned XSEs act to reduce xol 1 expression, experimentally reducing expression levels of these individual XSEs has been shown to have a minimal effect on sex determination and successful dosage compensation. However, reducing the level of more than one XSE in different combinational permutations seems to have an additive effect on ensuring proper sex determination and resultant dosage compensation mechanics. Thus, male chickens express an average of 1.4 1.6 of the Z chromosome DNA expressed by female chickens. The Z chromosome expression of male zebra finches and chickens is higher than the autosomal expression rates, whereas X chromosome expression in female humans is equal to autosomal expression rates, revealed similar levels of unequal compensation across male Z chromosomes. Z specific genes were over expressed in males when compared to females, and a few genes had equal expression in both male and female Z chromosomes. In chickens, most of the dosage compensated genes exist on the Zp, or short, arm of the chromosome while the non compensated genes are on the Zq, or long, arm of the chromosome. The compensated (silenced) genes on Zp resemble a region on the primitive platypus sex chromosome, suggesting an ancestor to the XX/XY system.

Птицы

Половые хромосомы птиц эволюционировали независимо от хромосом млекопитающих и обладают очень небольшим сходством последовательностей с XY-хромосомами. В связи с этим, ученые обозначают половые хромосомы птиц системой определения пола ZW, при которой самцы несут две Z-хромосомы, а самки – одну Z-хромосому и одну W-хромосому. Таким образом, можно предположить, что компенсация дозы у птиц может следовать модели, аналогичной случайной инактивации X, наблюдаемой у большинства млекопитающих. Альтернативно, у птиц может наблюдаться пониженная транскрипция двух Z-хромосом, присутствующих у самцов, подобно системе, наблюдаемой у двух хромосом гермафродитов *C. elegans*. Однако механизмы компенсации дозы у птиц значительно отличаются от этих примеров. Вместо этого, самцы птиц, по-видимому, избирательно подавляют экспрессию лишь нескольких генов на одной из своих Z-хромосом, а не случайным образом инактивируют целую Z-хромосому. Этот тип селективного подавления экспрессии заставил некоторых исследователей считать, что птицы менее эффективно осуществляют компенсацию дозы, чем млекопитающие. Однако более поздние исследования показали, что гены на Z-хромосоме, которые не инактивируются у птиц, могут играть важную роль в привлечении механизмов компенсации дозы к Z-хромосоме в организмов с генотипом ZZ. В частности, было показано, что один из этих генов, ScII, является ортологом xol-1, главного гена-регулятора пола у *C. elegans*. Таким образом, функция селективного подавления экспрессии может заключаться в сохранении компенсации дозы генов, критически важных для определения пола и гомологичного спаривания. Хотя эпигенетические механизмы компенсации дозы у птиц изучены недостаточно хорошо, особенно по сравнению с хорошо изученными механизмами у человека и дрозофилы, ряд недавних исследований выявил перспективные последовательности. Одним из примеров является MHM (male hypermethylated) РНК – длинная некодирующая РНК, подобная Xist, которая экспрессируется только у самок куриц (ZW). Она связана с женской специфической гиперацетилированием лизина 16 на гистоне 4 вблизи локуса MHM на Z-хромосоме. Этот локус MHM активно изучается как место компенсации дозы, поскольку мужские Z-хромосомы гиперметилированы и, следовательно, демонстрируют пониженную экспрессию генов в этой области по сравнению с женскими Z-хромосомами, которые гиперацетилированы и демонстрируют повышенную экспрессию этих генов. Однако ведутся споры о том, представляет ли локус MHM собой компенсацию дозы, поскольку некоторые ученые утверждают, что даже если экспрессия локуса MHM значительно выше у самок, чем у самцов, его нельзя рассматривать как механизм компенсации дозы, поскольку он не уравновешивает дозу генов между Z-хромосомой и аутосомами у гетерогаметического пола. Подобно млекопитающим, куры, по-видимому, используют CpG-острова (сегменты цитозин-фосфат-гуанина, которые легче метилируются и подавляются, чем другие сегменты ДНК) для регуляции экспрессии генов. Одно исследование показало, что CpG-острова в основном находятся в компенсированных областях Z-хромосомы – областях, которые дифференциально экспрессируются у самцов и самок куриц. Таким образом, вероятно, что эти CpG-острова являются местами, где гены на мужской Z-хромосоме метилируются и подавляются, но остаются функциональными на женской Z-хромосоме.

The sex chromosomes of birds evolved separately from those of mammals and share very little sequence homology with the XY chromosomes. As such, scientists refer to bird sex chromosomes as a ZW sex determining system, with males possessing two Z chromosomes, and females possessing one Z chromosome and one W. Thus, dosage compensation in birds could be hypothesized to follow a pattern similar to the random X inactivation observed in most mammals. Alternatively, birds might show decreased transcription of the two Z chromosomes present in the male heterogametic sex, similar to the system observed in the two hermaphrodite X chromosomes of C. elegans. However, bird mechanisms of dosage compensation differ significantly from these precedents. Instead, male birds appear to selectively silence only a few genes along one of their Z chromosomes, rather than randomly silencing one entire Z chromosome. This type of selective silencing has led some people to label birds as "less effective" at dosage compensation than mammals. However, more recent studies have shown that those genes on the Z chromosome which are not inactivated in birds may play an important role in recruiting dosage compensation machinery to the Z chromosome in ZZ organisms. In particular, one of these genes, ScII has been demonstrated to be an ortholog of xol 1, the master sex regulator gene in C. elegans. Thus, the function of the selective silencing may be to spare dosage compensation of genes crucial for sex determination of homologous pairing. While the epigenetic mechanisms behind dosage compensation in birds are poorly understood, especially in comparison to the well studied mechanisms of dosage compensation in humans and Drosophila, several recent studies have revealed promising sequences. One example is MHM (male hypermethylated) RNA, an Xist like long noncoding RNA that is expressed only in female chickens (ZW). It is associated with female specific hyper acetylation of lysine 16 on histone 4 near the MHM locus on the Z chromosome. This MHM locus is heavily studied as a site of dosage compensation because male Z chromosomes are hypermethylated and thus underexpress genes in this area in comparison to female Z chromosomes which are hyperacetylated and overexpress these genes. There has been debate on whether the MHM locus constitutes dosage compensation, however, since scientists claim that even if the MHM locus has been found to have significantly greater expression in females than in males, it could not even be considered to be a dosage compensation mechanism since it does not balance gene dose between the Z chromosome and autosomes in the heterogametic sex. Similar to mammals, chickens seem to use CpG islands (segments of Cytosine phosphate Guanine that are more readily methylated and silenced than other DNA segments) to regulate gene expression. One study found that CpG islands were found primarily in compensated areas of the Z chromosome—areas that are differentially expressed in male and female chickens. Thus it is likely that these CpG islands are locations where genes on the male Z chromosome are methylated and silenced, but which stay functional on the female Z chromosome.

Монотремы

Монотремы – это класс базальных млекопитающих, которые также откладывают яйца. Они относятся к отряду млекопитающих, включающему утконосов и четыре вида ехидн, все из которых являются яйцекладущими млекопитающими. Хотя монотремы используют систему XX/XY, в отличие от других млекопитающих, у них более двух половых хромосом. Например, у самца короткоклювого ехидны девять половых хромосом – 5 X и 4 Y, а у самца утконоса – 5 X и 5 Y. Утконосы – это вид монотрем, механизм определения пола у которого был тщательно изучен. В академических кругах существуют разногласия относительно эволюционного происхождения и правильной таксономии утконосов. Недавнее исследование, поскольку полный геном утконоса еще не полностью секвенирован (включая одну из X-хромосом), продолжается изучение окончательного механизма компенсации дозы, которому следуют утконосы. Исследования из лаборатории Дженнифер Грейвс использовали qPCR и SNP-анализ BAC, содержащих различные гены X-хромосом, чтобы выяснить, экспрессируются ли одновременно несколько аллелей для определенных генов, сцепленных с X-хромосомой, или иным образом происходит компенсация дозы. Показано, что экспрессия генов, сцепленных с X-хромосомой, у самцов *S. latifolia* составляет около 70% от экспрессии у самок. Если бы *S. latifolia* не осуществляла компенсацию дозы, ожидаемый уровень экспрессии генов, сцепленных с X-хромосомой, у самцов был бы на 50% ниже, чем у самок, следовательно, растение практикует некоторую степень компенсации дозы, но поскольку экспрессия у самцов не составляет 100% от экспрессии у самок, было предположено, что *S. latifolia* и ее система компенсации дозы все еще эволюционируют. Кроме того, у видов растений, у которых отсутствуют диморфные половые хромосомы, компенсация дозы может происходить, когда аберрантные мейотические события или мутации приводят к анеуплоидии или полиплоидии. Гены на пораженной хромосоме могут быть активированы или подавлены, чтобы компенсировать изменение нормального числа хромосом.

Рептилии

Исследования компенсации дозы проведены на шести видах токсикоферных рептилий и одном виде мягкопанцирных черепах. Исследованы два вида змей-каенофидиев (один из которых относится к семейству Viperidae, а другой – к семейству Colubridae), и у обоих наблюдается женская гетерогаметическая система определения пола (ZZ/ZW) с неполной компенсацией дозы без баланса. У комодского варана наблюдается неполная компенсация дозы без баланса дозировки в их независимо эволюционировавшей системе ZZ/ZW. У Basiliscus vittatus с системой XX/XY и у пигоподической геккона Lialis burtonis с множественными неополовыми хромосомами и мужской гетерогаметией также наблюдалась неполная компенсация дозы без баланса дозировки. Зеленый аноль (Anolis carolinensis; Dactyloidea) имеет определение пола XX/XY и, в отличие от других изученных до настоящего времени чешуйчатых, демонстрирует полную компенсацию дозы с балансом дозировки. У флоридской мягкопанцирной черепахи (Apalone ferox) с половыми хромосомами ZZ/ZW также обнаружен дисбаланс дозировки в экспрессии генов, сцепленных с Z-хромосомой.

Инективация хромосомы X и эмбриональные стволовые клетки

XCI инициируется на очень ранних стадиях эмбрионального развития женского пола или при дифференцировке женских эмбриональных стволовых клеток (ES) и приводит к инактивации одной Х-хромосомы в каждой женской соматической клетке. Этот процесс начинается очень рано в ходе развития, примерно на стадии от двух до восьми клеток, и поддерживается в развивающихся внезародышевых тканях эмбриона, включая плаценту плода. РНК Xist индуцирует гетерохроматинизацию Х-хромосомы, привлекая модификаторы хроматина, участвующие в подавлении экспрессии генов. РНК Xist тесно ассоциирована с Xi и необходима для инактивации Х-хромосомы в цис. Исследования нокаутов на женских ЭС-клетках и мышах показали, что Х-хромосомы с делецией гена Xist не способны инактивировать мутировавшую Х-хромосому. Большинство линий женских ЭС-клеток человека демонстрируют инактивированную Х-хромосому уже в недефференцированном состоянии, характеризующемся экспрессией XIST, покрытием XIST и накоплением маркеров гетерохроматина на Xi. В женских эмбрионах наблюдается накопление РНК Xist на одной из двух Х-хромосом, начиная примерно с 8-клеточной стадии. РНК Xist накапливается на стадиях морулы и бластоцисты и, как было показано, связана с транскрипционным подавлением хромосомного региона, покрытого Xist, что указывает на то, что произошла компенсация дозы. Эти факторы действуют в сочетании с Tsix, не кодирующей РНК, являющейся антисенсом, который снижает эффект Xist на Х-хромосому, где он экспрессируется на материнской Х-хромосоме при запуске регуляции инактивации Х. Эти три РНК регулируют пару Х-Х, чтобы обе хромосомы были доступны для ингибирующего действия. Tsix и Xite обладают основными функциями lncRNA в дополнение к инактивации Х и регулируют пару Х-Х. Это обеспечивает эксклюзивное подавление экспрессии обеих Х-хромосом. Xite и Tsix необходимы в процессах ориентации в цис и транс, поскольку отсутствие Tsix и Xite в транс нарушает спаривание и подсчет генов. Xite также играет важную роль в асимметрии экспрессии Tsix и создает неравенство Х-хромосом, перемещаясь и помогая ориентировать хромосомы для воздействия на них соответствующей lncRNA, либо Tsix, либо Xist.

XCI is initiated very early during female embryonic development or upon differentiation of female embryonic stem (ES) cells and results in inactivation of one X chromosome in every female somatic cell. This process is initiated very early during development, around the two to eight cell stage and is maintained in the developing extra embryonic tissues of the embryo, including the fetal placenta. Xist RNA induces heterochromatinization of the X chromosome by attracting chromatin modifiers, involved in gene silencing. Xist RNA is tightly associated with the Xi and it is required for X Chromosome Inactivation to occur in cis. Knockout studies in female ES cells and mice have shown that X chromosomes bearing a deletion of the Xist gene are unable to inactivate the mutated X. Most of the human female ES cell lines display an inactivated X chromosome already in the undifferentiated state characterized by XIST expression, XIST coating and accumulated markers of heterochromatin on the Xi. Female embryos have an accumulation of Xist RNA on one of the two X chromosomes, beginning around the 8 cell stage. Xist RNA accumulates at the morula and blastocyst stages and is shown to be associated with transcriptional silencing of the Xist coated chromosomal region, therefore indicating dosage compensation has occurred. These work in combination with Tsix, which is non coding RNA that is an antisense which downregulates the effects of Xist on the X chromosome in which it is expressed on the maternal X chromosome upon the start regulation of X inactivation. These three RNAs regulate the X X pair in a in order to be able to have both chromosomes available for inhibitory actions. Tsix and Xite have basic lncRNAs functions in addition to X inactivation and regulate the X X pair in the This ensures exclusive silencing for both X chromosomes. Xite and Tsix are both essential within the orientational directional processes in cis and trans as it is seen that without Tsix and Xite in trans it perturbs pairing and counting of genes. Xite also has major roles to play in the asymmetry of Tsix expression and generates X chromosome inequality through moving and helping orient the chromosomes to be acted upon by the correct subsequent lncRNA, either Tsix or Xist.