Відключення зайвої хромосоми в жіночих клітинах залежить від складного молекулярного механізму, в якому злагоджено працюють регуляторні РНК і гени самої Х-хромосоми.
Всім відомо, що у ссавців стать визначається розподілом чоловічих (Y) і жіночих (X) хромосом: самки несуть у своїх клітинах дві X-хромосоми, а самці - X і Y. (Про всяк випадок уточнимо, що «дівчаткам» Х-хромосоми приходять від обох батьків, тобто одна з них є материнською, а інша - батьківською.) Однак у самок одна з X-хромосом вимкнена: якби вони обидві були активні, якби в клітинах працювали гени відразу з обох хромосом, то в організмі стався б молекулярно-біохімічний дисбаланс. Тому ще під час внутрішньоутробного розвитку включаються якісь механізми, які пригнічують роботу на одній з X-хромосом, причому яка саме з них вимкнеться, визначається випадковим чином, тобто в різних клітинах тіла вимикається або батьківська, або материнська X.
Хоча про інактивацію однієї з жіночих статевих хромосом біологи знали давно, як саме це відбувається, довгий час залишалося таємницею. Згодом вдалося з'ясувати, що тут провідну роль відіграють так звані довгі некодуючі РНК. Зазвичай, заводячи мова про РНК, ми маємо на увазі інформаційні, або матричні, молекули, які працюють посередниками між ДНК і білок-синтезуючим апаратом: інформація про білкову молекулу копіюється з ДНК на РНК, а вже РНК читають рибосоми, що зшивають амінокислоти в поліпептидний ланцюг згідно з генетичним кодом.
Однак величезна маса РНК ніяких білків не кодує, а між тим клітина без них обійтися не може. І зараз ми говоримо про регуляторні РНК, які можуть зв'язуватися з молекулами-мішенями - наприклад, з деякими ділянками в ДНК або з білками - і змінювати їх активність. Наприклад, сівши на якусь регуляторну область в ДНК, регуляторна РНК може заборонити синтез звичайної, матричної РНК на гені, керованому цим регулятором - таким чином ген робиться неактивним.
Регуляторних РНК існує багато різновидів, і один з таких різновидів - lnkRNA, long non-coding RNA, або довгі некодуючі РНК. (Довгими їх назвали тому, що за розмірами вони не поступаються кодуючим РНК, включаючи в себе сотні і тисячі пар мономерів-нуклеотидів, тоді як зазвичай регуляторні РНК особливою довжиною не відрізняються і обмежуються в кращому випадку кількома десятками нуклеотидів.) РНК, що вимикає Х-хромосому, називається Xist, і відноситься вона до довгих некодуючих. Вона синтезується на одній з Х-хромосом, яку в міру власного синтезу і вимикає. Відомо, що вона може зв'язуватися як безпосередньо з хромосомною ДНК, так і з білками, які керують упаковкою, архівацією ДНК.
Хромосома в робочому вигляді являє собою довгу і заплутану нитку ДНК, яка «розмазана» за досить великим простором всередині клітинного ядра - її гени вільні і доступні білкам, які синтезують РНК. Щоб вимкнути або ділянку хромосоми, або її всю, потрібно її в буквальному сенсі «дивитися»: щільно запакувати нитку ДНК з допомогою спеціальних білків.
Два роки тому дослідники з Каліфорнійського технологічного інституту опублікували статтю, в якій описували, що тут робить Xist-РНК: вона працює чимось на зразок магнітної скріпки, що збирає в одну точку різні гени, які потрібно інактивувати. Коли вона з'являється, гени групуються навколо неї, конденсуючись у щось на зразок хмари. Тепер білкам, які відповідають за регуляцію генів, не потрібно вишукувати їх, достатньо прийти в одну конкретну область, де будуть згруповані всі гени, що вимагають відключення.
Заодно вдалося визначити, що різні ділянки величезної Xist-РНК по-різному беруть участь у процесі: так, деякі повторювані послідовності виявилися виключно важливими для «замовчування» Х-хромосоми - якщо ці послідовності вирізали з Xist-РНК, то хромосома працювала, як ні в чому не бувало. Нова робота, що вийшла в Cell Reports, доповнює картину. Дослідники зі Швейцарської вищої технічної школи Цюріха вирішили з'ясувати, яка роль самої Х-хромосоми у власній інактивації. Іншими словами, їх цікавило, чи є до хромосоми якісь гени, без яких її не вимкнути, без яких Xist сама по собі буде безсилою?
В експериментах використовували особливі стовбурові клітини мишей, у яких була тільки одна X-хросомома і в яких постійно синтезувалася Xist-РНК. Такі клітини довго не жили: накопичення регуляторної РНК повністю відключало єдину Х-хросому - адже гени, які в ній записані, необхідні для життя клітини. Однак ситуацію можна було врятувати, якщо порушити процес інактивації Х. Автори роботи по черзі вимикали Х-хромосомні гени: якщо клітини раптом виживали, значить, у них хромосома не замовкла, тобто відключений ген був важливий для «успилення» Х-хромосоми.
Таких генів вдалося знайти кілька, докладно ж Антон Вуртц (Anton Wutz) і його колеги розглянули ген Spen. Він кодує білок, що зв'язується з РНК, який служить чимось на зразок перехідника між регуляторною Xist і хромосомною ДНК: без нього Xist-РНК працює погано. Тобто виходить така послідовність подій: щоб почати стягувати ДНК до «пакувального пункту», регуляторна РНК повинна озброїтися спеціальним білком, без якого її конструкторське завдання виявиться нездійсненним. Можливо, що й інші Х-хромосомні гени, необхідні для інактивації власної хромосоми, функціонують у тому ж дусі.
Система, як бачимо, досить складна: мало того, що Х-хромосома кодує Xist-РНК, так у ній ще є і спеціальні гени, що допомагають Xist працювати. Чи має все це значення для людини? У нас є і Xist, і ген Spen, так що цілком можливо, що у жінок вищеописаний механізм також працює. В цілому ж за схожою схемою можуть управлятися й інші хромосоми: адже далеко не всі гени працюють одноразово в клітці, деякі «прокидаються» тільки в певні проміжки розвитку, а деякі взагалі «сплять» майже все життя. Непотрібні ділянки геному можуть утримуватися в архівному вигляді за допомогою подібних регуляторних РНК і тоді, вивчаючи Х-хромосому, у нас є шанс, як йдуть справи в інших ділянках клітинного геному.