劑量補償效應

劑量補償效應使 X連鎖性狀的表現在雌雄個體之間並無不同。1932年美國遺傳學家H.J.馬勒首先在果蠅中發現了這種效應，並把它看作是維持雌雄兩性生物基因表達的一致所特有的一種遺傳效應。對它的研究有助於揭示 X連鎖基因的調控機理、性染色體的進化和分化過程以及解釋性染色體畸變患者的症狀表現等。 ^[1] 

1949年美國學者M.L.巴爾等發現雌貓的神經細胞間期核中有一個深染的小體而雄貓中卻沒有。由於這個小體和性別及X染色體數有關，所以稱為X染色質又名巴氏小體。X染色質可在雌性哺乳動物的大部分細胞中看到。以後又發現在雌鼠體細胞分裂前期的兩個，X染色體中的一個出現異固縮，而雄鼠僅有的一個 X染色體則不發生異固縮（見染色體）。這使英國學者M.F.萊昂想到異固縮的X染色體（即X染色質）很可能是失活的，並在1961年根據鼠類動物的遺傳學研究結果，提出了闡明哺乳動物劑量補償效應的X染色體失活假設或稱X染色體萊昂化假設。

在哺乳動物中，細胞質中某些物質能使兩條X染色體中的一條異染色質化，只有一條染色體具有活性，這樣使得雌雄動物之間雖然X染色體的數量不一樣，但X染色體上的基因產物的劑量是平衡的，這個過程就稱計量補償效應

①正常雌性哺乳動物體細胞中的兩個，X染色體之一在遺傳性狀表達上是失活的；

②在同一個體的不同細胞中，失活的X染色體可來源於雌性親本，也可來源於雄性親本；

③失活現象發生在胚胎髮育的早期，一旦出現則從這一細胞分裂增殖而成的體細胞克隆中失活的都是同一來源的染色體。

人類女性的X染色體失活在胚胎髮育的第16天就已發生，而且哪一條X染色體失活是隨機的。其他有胎盤的哺乳動物也類同,但有袋類（如雌性袋鼠）失活的X染色體是有選擇性的，失活的總是來源於雄性親本的X染色體。

在性染色體決定性別的生物中，雄性和雌性個體的細胞內含有兩份同樣拷貝的常染色體，而性染色體則含量不同，如XY型性別決定中，雌性含有兩份X，而雄性則只有一份X。在哺乳動物包括人在內，常染色體數目增加的個體常常是致死的，而性染色體數目的增加則多隻影響個體的正常發育，譬如説帶有1，2，3甚至4個拷貝X染色體的人體仍然是可以存活的。這也就是説，在哺乳動物中一定存在一種機制可以補償X染色體的超量，對此的解釋就是劑量補償效應。所謂劑量補償效應指的是在XY性別決定機制的生物中，使性連鎖基因在兩種性別中有相等或近乎相等的有效劑量的遺傳效應。也就是説，在雌性和雄性細胞裏，由X染色體基因編碼產生的酶或其他蛋白質產物在數量上相等或近乎相等。劑量補償機制對矯正一種性別相對於另一性別有兩倍劑量的特定基因產物是必須的。劑量補償有兩種機制，在不同生物中不同，一種是調節X染色體的轉錄速率，例如果蠅雌性細胞中的兩條X染色體都是有活性的，但它們的轉錄速率只是雄性細胞裏單條X染色體的轉錄速率的50%，因此，雌性和雄性細胞裏X染色體的基因產物在量上是相近的。果蠅的劑量補償效應主要是通過Sxl蛋白阻止雌性X染色體的過度轉錄來調節的，在雌性果蠅中，X:A(Autosome)=1的比例所提供的信號和母體基因激活sxl基因，它使msl-2(male-specific lethal effect，為4個雄性致死效應基因msl-1、msl-2、msl-3、mle中的1個)基因的RNA不能適當的剪接，結果產生無效的Msl-2蛋白，從而不能使其它的msl基因激活，這樣X染色體就以基礎水平轉錄；而在雄性中，X:A=0.5，Sxl基因關閉，這時msl-2可不受干擾從而正確剪接，產生有活性的Msl-2蛋白，從而進一步激活其它的msl(maleless)基因，使X染色體高水平轉錄，這樣雄果蠅雖然只有一條X染色體，但表達的量與雌果蠅二條X染色體表達的量相近，達到劑量平衡。由於msl-1、msl-2、msl-3基因位於第二號染色體上，mle位於第三號染色體上，當常染色體套數增加時，msls的產量也隨之增加，對X染色體表達的促進作用也更強，因此超雄(1X:3A)X染色體的活性比正常的雄性(1X:2A)更高 ^[2]  。

劑量補償效應廣泛存在於生物界，其現象複雜,機制各異。而且當兩個X染色體中有一個失活時，也並不是全部基因都失活。例如Xg血型基因和類固醇硫酸酯酶基因雖是X連鎖基因,但並不失活。時下認為失活是從一個失活中心開始的，其位置很可能在 X染色體長臂鄰近着絲粒部位。有袋類動物的雌性個體細胞中，來自雌性親本的X染色體有一個敏感區,它產生少許起控制作用的物質，這物質和同一條 X染色體上的毗鄰的受相結合，能使該條X染色體不發生異固縮,保持不失活狀態。但來源於雄性親本的X染色體的相應部位沒有,因而總是它發生異固縮而失活。有胎盤的哺乳動物和有袋類不同，敏感區不在X染色體上而是在常染色體上。敏感區產生的控制物質隨機地和雄性或雌性親本來源的X染色體上的受體結合，使相應的X染色體保持不失活狀態。

果蠅的劑量補償效應的機制和哺乳動物不同。雌性果蠅不是通過一個X染色體失活，而是通過兩個X染色體的基因活性都減弱到兩者之和相當於雄性果蠅一個X染色體的活性來獲得劑量補償效應的,這在雌雄果蠅的X染色體的厚度差別、唾液腺內多線染色體 RNA合成率的測定上都得到證實。對於果蠅的這種劑量補償效應機制有兩種解釋：

①在果蠅的X染色體上有某些不受劑量補償效應影響的基因，稱為補償器，它的產物對大多數 X連鎖基因有抑制作用。雌性果蠅通過兩份補償器的作用而使X連鎖基因的表型效應相當於只有一份補償器的雄性果蠅；

②認為不同性別個體的發育、生長時間和器官的分化時間都有差別，性別分化的生理功能控制着每個個體發育過程中性連鎖基因的表達。

關於哺乳動物劑量補償效應的X染色體失活假設雖然已普遍地為人們所接受，但仍有一些現象人們還不能作出滿意的解釋。例如：

①巴氏小體並不是在每一個高度分化的體細胞中都出現；

②沒有完全證實雌性個體每一個胚胎細胞的X染色體之一都早期失活；

③人類X連鎖基因中，只有少數在女性雜合體中顯示嵌合性，而Xg基因和類固醇硫酸酯酶等基因卻並不失活；

④既然人類的X染色體失活是隨機的，為什麼畸變的X染色體的失活不是隨機的等。此外，按照 X染色體失活假設，人的XO和XX女性個體或XY和XXY男性個體應該具有相同的表型,可是實際上XX個體是正常的，而XO個體則是特納氏綜合徵患者；XY個體是正常的，而XXY則是克氏綜合徵患者,這些現象都有待於研究。

一般認為劑量補償效應僅發生在性染色體中,但是在常染色體異常的非整倍體或具有某些常染色體片段的個體中，同樣存在劑量補償效應，例如玉米 1號染色體長臂上決定乙醇脱氫酶的基因在 1號三體性和四體性的個體中可表現劑量補償效應。又如果蠅 2號染色體上決定a-磷酸甘油脂脱氫酶的基因也顯示同樣的劑量補償效應。這些現象也有待於深入研究。

①細胞分裂的前期發生早期濃縮；

②在細胞的間期以 X染色質形式出現；

③失活染色體的DNA複製比不失活的X染色體延遲；

④基因活性受抑制。

X染色質的來源是失活的 X染色體這一點已被肯定。例如只有一條 X染色體的雌性小鼠在各方面都和正常的有兩條 X染色體的雌性小鼠相同。這説明只要一個 X染色體便能使雌性小鼠發育正常。另外某些 X連鎖基因在雌性小鼠雜合體上的特殊表型也可用X染色體的失活來解釋。例如小鼠的毛色是X連鎖基因決定的，在雌性雜合體中可以觀察到一些區域是顯性的野生型（正常）毛色，另一些區域是較淡的隱性突變型毛色，而不是按照顯性規律那樣整個身體都是野生型毛色。這種花斑性狀或嵌合性狀和由於花斑型位置效應而出現的花斑不同。這裏野生型毛色的區域起源於帶有突變型毛色基因的X染色體失活的細胞;突變型毛色的區域起源於帶有野生型毛色基因的 X染色體失活的細胞。玳瑁貓也可以説明 X染色體的失活現象，凡是毛色黃、黑相間的玳瑁貓都是雌性的，這是因為黃色毛基因(b)是X連鎖隱性基因，黑色毛基因(B)是它的顯性等位基因,雌性純合體的毛色是黃色(bb)或黑色(BB)，而雌性雜合體(Bb)由X染色體的隨機失活成為黃黑相間的玳瑁色。偶爾出現的雄性玳瑁貓是因為其性染色體組成是 XXY，而不是正常的XY。

在人類的某些疾病中 X染色體失活也得到了證明。例如缺乏葡萄糖-6-磷酸脱氫酶 (G6PD)引起的溶血性貧血患者大都是男性。女性雜合體（攜帶者）有兩種類型的紅細胞，一種紅細胞的G6PD活性正常，另一種卻沒有這種酶的活性。這是由於紅細胞產生過程中不同的 X染色體失活的結果。這一解釋已被分離出上述兩種不同酶活性的成纖維細胞株這一事實進一步證實。

由於劑量補償效應也存在於多於兩個X染色體的個體中，所以X染色體失活現象的研究有助於人類性染色體畸變疾病的診斷。根據劑量補償原則，不論一個細胞中有幾個 X染色體，只有一個不失活，其餘的都失活並以巴氏小體形式出現。所以由巴氏小體數可以預測 X染色體數。例如在外表是男性的克蘭費爾特氏綜合徵患者細胞中可以看到一個巴氏小體，因此可以預測患者的核型是47,XXY。在外表是女性的特納氏綜合徵患者的細胞中，看不到巴氏小體，因此可預測患者的核型是45,XO。

除數目畸變外，巴氏小體的形態也能反映染色體的形態變化，如核型是46,XXP(患者的巴氏小體比正常的小)，這是因為失活的X染色體的短臂部分缺失的緣故;核型是46,X,i(Xq)患者的巴氏小體比正常的大，這是因為失活的X染色體是長臂等臂染色體。