Інактивація X-хромосоми

Ілюстрація інактивації X-хромосоми. Рудий та чорний колір хутра кодуються в генах, що розміщені на X-хромосомі. У самиць в результаті інактивації однієї з X-хромосом може формуватися трикольорова пігментація хутра, в залежності від того, який з двох алелей буде експресуватись в тій чи іншій частині хутра. Нормальні самці (XY) можуть бути лише двокольоровими – рудо-білими чи чорно-білими.

Інактивація X-хромосоми, ІXХ (англ. XIC, X-chromosome inactivation) – процес дозової компенсації генів у ссавців, який приводить до транскрипційної активності лише однієї X-хромосоми у самиць та самців. Інактивація проходить за правилом (n-1), де n – кількість X-хромосом в ядрі[1]. X-хромосома – одна з двох статевих хромосом у ссавців. У більшості ссавців самець має статеву Y-хромосому та одну X-хромосому, тоді як у самиці дві X-хромосоми.

Класичне визначення інактивації X-хромосоми звучить, як процес при якому інактивується одна з двох статевих хромосом самиць ссавців[2].

При певних патологіях і анеуплоїдіях кількість X-хромосом може варіювати: так при синдромі Клайнфельтера можливі варіанти істот чоловічої статі XXY, XXXY, XXXXY; при синдромі Шерешевського-Тернера самиці є моносоміками по X-хромосомі – XO, також існують самиці-трисоміки по X, – XXX. Інактивація X-хромосоми відбувається таким чином, що залишається лише одна активна X-хромосома, а інші переходять у тільця Бара. (Наприклад, у нормальної самиці XX буде одна X-хромосома активна, інша інактивується; у самця з синдромом Клайнфельтера XXXY буде активною одна X-хромосома, дві – ні).

Історія відкриття

Файл:X Y хромосоми.jpg
Фарбування флуоресцентними мітками X та Y хромосом у мишачих ембріональних стовбурових клітинах[3].

Відкриттю інактивації X-хромосоми Мері Лайон у 1961 році передувала серія відкриттів в цитогенетиці.

Роботи Теодора Боварі (англ. Theodor Heinrich Boveri) у 1888 році показали сильні доводи на підтримку теорії, що хромосоми є носіями генетичної інформації у клітині. Вже в 1905 році Нетті Стівенс (англ. Nettie Maria Stevens) запропонувала теорію, що статеві хромосоми різні у різних статей. Едмунд Вілсон (англ. Edmund Beecher Wilson) зробив аналогічне відкриття незалежно у 1905 році. У 1949 році роботи Мюрея Барра (англ. Murray Llewellyn Barr) показали, що стать диференційованих соматичних клітин модельних об'єктів може бути визначена завдяки підрахуванню структур в ядрі, яким дано назву тільця Барра[4].

У 1959 році Сусумо Оно (англ. Susumu Ohno) встановив, що тільця Барра – то є X-хромосома[1]. У 1959 році В. Вельшонс (англ. W. J. Welshons) і Ліане Рассел (англ. Liane B. Russell) показали, що миші-моносоміки по X-хромосомі, XO, – фенотипово нормальні, здатні до розмноження самиці, що навело на думку, що лише одна X-хромосома достатня для нормального розвитку[5].

Мері Лайон (англ. Mary F. Lyon) у 1961 році вивчала забарвлення хутра мишей, що є ознакою зчепленою зі статтю, і кодується в X-хромосомі. Вона встановила, що самці XY завжди забарвлені монотонно, тоді як самиці XX можуть бути фенотиповими мозаїками – мати різно забарвлене хутро, а самці XXY також можуть мати різне забарвлення хутра. З цих робіт Мері Лайон встановила, що, тільця Барра, інактивна X-хромосома, можуть бути як батьківського так і материнського походження[1].

З нагоди 50 років відкриття інактивації X-хромосоми у липні 2011 р. була проведена конференція Європейської Організації Молекулярної Біології[6].

Механізм інактивації

Файл:XCI v3.png
Схема інактивації X-хромосоми в процесі диференціації клітини. Накопичення Xist РНК призводить до формування неактивного щільного хроматину, рекрутування комплексів, що модифікують гістони. Гени не експресуються. Відбувається додаткове гіпоацетилювання гістону H4. Метилювання промоторних ділянок генів відбувається у пізню стадію інактивації X-хромосоми[7].

У більшості ссавців, самиці мають дві Х-хромосоми, у той час як самці мають одну Х хромосому і одну Y-хромосому. Y-хромосома визначає стать в ранньому ембріональному періоді шляхом експресії транскрипційного фактору, що кодується SRY геном, який включає каскад реакцій, що призводять до фенотипу самця. У відсутності SRY розвивається фенотип самиці[8]. У самців (XY) і самиць (XX) виникає нерівновага в дозі генів, особливо враховуючи що Y хромосома набагато менша за Х хромосому, і кодує лише невелику кількість генів. Інактивації X-хромосоми збалансовує таку нерівновагу.

Одна з Х хромосом у клітинах самиць вимикається епігенетично, тобто не змінюючи послідовність нуклеїнових кислот в ДНК. Замість цього утворюється щільний гетерохроматин – фізико-хімічний стан всієї хромосоми чи її частини, при якому ускладнена взаємодія факторів транскрипції з ДНК і процесу зчитування РНК не відбувається. Утворення гетерохроматину відбувається за допомогою метилювання ДНК та модифікації гістонових білків, а при інактивації Х-хромосоми важливу роль грають довгі некодуючі РНК[9].

Процес інактивації X-хромосоми включає в себе декілька етапів[7]:

  • Рахування X-хромосом;
  • Вибір хромосоми для інактивації;
  • Початок інактивації;
  • Підтримання X-хромосоми у неактивному стані.

В подальшому житті інактивна X-хромосома залишається стабільно заглушеною. В цьому важливу роль грає метилювання ДНК – епігенетична мітка, яка полягає у додаванні метильної групи нуклеотиду цитозину. Така біохімічна зміна може підтримуватися довгий час і впливати на активність генів[10].

Компоненти гетерохроматину інактивної X-хромосоми відрізняється від гетерохроматину в інших хромосомах. На інактивній X-хромосомі знайдений варіант гістонового білку macroH2A, та Trithorax білок. Також встановлено, що на відміну від інших хромосом, білкові компоненти неактивної X-хромосом розподілені рівномірно по всій її довжині[7].

Розвиток знань по темі інактивації X-хромосоми пролив світло на декілька молекулярно-біологічних процесів: роль довгих некодуючих РНК, геномний імпринтинг та соматичне парування хромосом у ссавців[1].

ЦІX – центр інактивації X-хромосоми

Дослідження на мишиних моделях встановили, що для інактивації X-хромосоми потрібна спеціальна ділянка – центр інактивації X-хромосоми, ЦІX (англ. XIC, X inactivation centre)[11]. Центр інактивації X-хромосоми має приблизно 1 мільйон пар основ в довжину і має декілька елементів, що приймають участь у інактивації X-хромосоми, та містить принаймні чотири гени[12]. Для початку ІXХ потрібні два таких центри, по одному з кожної хромосоми, і необхідно, щоби між ними був зв'язок. Взаємодія між двома гомологічними X-хромосомами відбувається в центрі інактивації. Але залишається відкритим питання, що саме є причиною а що наслідком: чи зближення хромосом призводить до початку інактивації, чи навпаки[13].

Xist

В межах ділянки центру інактивації X-хромосоми закодований ген Xist (англ. X-inactive specific transcript), який транскрибується у довгу некодуючу РНК Xist. Xist може взаємодіяти та покривати ту X-хромосому, яка буде неактивною, спочатку в зоні ЦІX а потім по всій довжині хромосоми. В процесі ембріонального розвитку Xist експресується з обидвох хромосом, але потім в одній X-хромосомі глушиться напрацювання Xist (ця хромосома залишиться активною). Заглушення Xist співпадає по часу з початком інкативації X-хромосоми[11].

При гетерозиготній мутації Xist, тобто такій, що знаходиться лише на одній з двох гомологічних хромосом, та X-хромосома, в якій знаходиться мутантний Xist не інактивується[14].

Tsix

З локусу центру інактивації X-хромосоми зчитується антисенсний транскрипт, тобто зчитується в протилежному боці. Такій нкРНК дали назву Tsix (Xist написаний задом-наперед), і встановлено, що Tsix – негативний регулятор Xist і його експресія необхідна для підтримки X-хромосоми в активному стані. Багато робіт вказують на те, що саме співвідношення Tsix/Xist важливе для вибору, який алель буде глушитись, і відповідно яка хромосома буде інактивовуватись[11]. Є дані, що саме Tsix призводить до асоціації двох гомологічних X-хромосом, і експресія Tsix РНК є необхідною, але не достатньою умовою для рахування і вибору хромосоми на інактивацію[13]

Tsix стала першою відомою антисенсною РНК ссавців, що зустрічається в природі, і має чітку функцію in vivo.

Додаткові регулювальники

В зоні центру інактивації X-хромосоми знайдено велику кількість ділянок, які впливають на процес ІXХ. Такі ділянки впливають на процес інактивації X-хромосоми як цис так і в транс, тобто як на одній і тій же хромосомі, на якій вони знаходяться (цис-регуляторний елемент) так і на іншій (транс-регуляторний елемент). Багато некодуючих РНК впливають на активність Xist та Tsix (Jpx, Ftx та Tsx).

Xite

Xite (англ. X-inactivation intergenic transcription element) – ще один некодуючий транскрипт, що знаходиться перед Tsix і функціонує як посилювач експресії Tsix на майбутній активній X-хромосомі[15].

LINE1

В геномі людини великий відсоток від усієї послідовності ДНК займають так звані транспозони, або мобільні елементи геному. Частина їх є ретротранспозонами (у людини ретротранспозони займають до 42% геному) – мобільні елементи, які копіюють і вставляють себе в геном за допомогою спочатку транскрипції з ДНК на РНК, а потім зворотної транскрипції з РНК у ДНК. LINE1 (англ. Long Interspersed Nuclear Elements) один з активних ретротранспозонів у людини[16]. LINE1 зустрічається в X-хромосомі набагато частіше ніж у інших хромосомах. Є роботи, які вказують на участь РНК LINE1 у інактивації X-хромосоми.

Серія активацій та інактивацій X-хромосом

На початкових стадіях є різниця, якого походження X-хромосома, батьківського чи материнського. На початкових стадіях ембріогенезу X-хромосома, яка є батьківського походження, завжди інактивна. В цьому процесі важливу роль грає геномний імпринтинг. Потім в період формування бластули обидві X-хромосоми активуються[9]. При подальшому розвитку в ембріональних клітинах за правилом (n-1) відбувається інактивація X-хромосом в мимовільному порядку, не залежно від походження X-хромосоми. Але в поза-ембріональних тканинах (включаючи тропоектодерм) активною залишається лише X-хромосома від матері, а батьківська X-хромосома інактивується[1].

Далі в зародку при формуванні майбутніх статевих клітин (гаметогенез) відбувається наступний етап активацій X-хромосом перед мейотичним поділом. Далі кожна з X-хромосом отримує однакову імпринту мітку, вказуючи якого вони походження.

Гени, що зчитуються з неактивної X-хромосоми

Деякі гени, що знаходяться на неактивній X-хромосомі. уникають заглушення і експресуються з обох X хромосом. У людській лінії фібробластів 15% генів, що знаходяться на неактивній X-хромосомі, в тій чи іншій мірі експресуються. Рівень зчитування цих генів сильно залежить від того, в якій частині хромосоми вони закодовані[17]. Такі гени призводять до різноманіття, яке залежить від статі і типу тканини[18].

Інактивація X-хромосоми у різних видів

Основні роботи по вивченню інактиваці X-хромосоми були проведені на мишах. В останні роки все більше отримується даних про те, що мишина модель інактивації X-хромосоми відрізняється від інших ссавців.

У кроликів та людей Xist-гомолог не підлягає імпринтингу, Xist зчитується з обох хромосом. В кроликів це може включити процес ІXХ на обох X-хромосомах[19].

Більш того, X хромосоми в багатьох видах мають досить специфічний набір генів, такі гени зчитуються на низькому рівні в соматичних тканинах, але які мають високий рівень експресії в тканинах, які задіяні в репродуктивних функціях організму (наприклад, яєчники)[18].

XACT РНК у людини

У людини у 2013 році було знайдено довгу некодуючу РНК XACT (англ. X-active coating transcript), що зв'язується з активною X-хромосомою[20]. XACT експресується з активної X-хромосоми, але при диференціації глушиться, і вже в диференційованих клітинах (таких, як фібробласти) XACT РНК немає. При відсутності XIST РНК, XACT експресується з обох X-хромосом у людини, але не у миші[21].

Сумчасті

У сумчастих немає Xist РНК, і як процес інактивації X-хромосоми відбувається в цих ссавців не до кінця відомо. Але в одного з видів опосумів, Monodelphis domestica, знайдено довгу некодуючу РНК Rsx (англ. RNA-on-the-silent X), яка схожа по функціям на Xist і приймає участь у інактивації X-хромосоми[22].

Випадковість вибору X-хромосоми

Раніше вважалося, що вибір хромосоми на інактивацію повністю довільний, і кожна з двох гомологічних X-хромосом з ймовірністю 50% буде інактивованою. Але з'явилися роботи, що показують, що в деяких модельних організмах генетичні фактори впливають на вибір. Так у мишей існують регуляторні елементи (Xce, X-controlling element) які мають три алельні форми, і один з них, Xcec, буде частіше знаходитись в активній X-хромосомі, тоді як Xcea частіше зустрічається в неактивній[23].

Залишається нез'ясованим, чи інактивація X-хромосоми у людини відбувається в довільному порядку. Нещодавні роботи вказують на те, що генетичне оточення може впливати на вибір X-хромосоми, що буде інактивованою[23].


Примітки

Термінологія і правила запису приводять до того, що в багатьох випадках людські гени і РНК пишуться всі з великої літери (наприклад, XIST), а гени і РНК інших видів мають лише першу літеру великою, (наприклад, мишиний Xist).

Див. також

Джерела

  1. а б в г д Jeannie T. Lee (December 2011). Gracefully ageing at 50, X-chromosome inactivation becomes a paradigm for RNA and chromatin control. Nature Reviews Molecular Cell Biology 12: 815–826. PMID 22108600. doi:10.1038/nrm3231. 
  2. Handbook of Epigenetics. Elsevier Inc. 2011. с. 341–351. ISBN 978-0-12-375709-8. 
  3. Janice Y Ahn, Jeannie T Lee (2010). Retinoic acid accelerates downregulation of the Xist repressor, Oct4, and increases the likelihood of Xist activation when Tsix is deficient. BMC Developmental Biology. PMID 20727175. doi:10.1186/1471-213X-10-90. 
  4. Murrey L. Barr & Ewart G. Bertram (Apr 1949). A morphological distinction between neurones of the male and female, and the behaviour of the nucleolar satellite during accelerated nucleoprotein synthesis. Nature 163: 676–677. PMID 18120749. doi:10.1038/163676a0. 
  5. Mary F. Lyon (1962). Sex Chromatin and Gene Action in the Mammalian X-Chromosome. Am J Hum Genet 14 (2): 135–148. PMID 14467629. 
  6. 50 Years of X–inactivation Research – EMBO. Oxford, United Kingdom. 20-24 July 2011. 
  7. а б в Anton Wutz (2011). Gene silencing in X-chromosome inactivation: advances in understanding facultative heterochromatin formation. Nature Reviews Genetics: 542–553. PMID 21765457. doi:10.1038/nrg3035. 
  8. Wolf Reik & Annabelle Lewis (2005). Co-evolution of X-chromosome inactivation and imprinting in mammals. Nature Reviews Genetics 6: 403–410. PMID 15818385. doi:10.1038/nrg1602. 
  9. а б Wolf Reik, Anne C. Ferguson-Smith (2005). Developmental biology: The X-inactivation yo-yo. Nature 438: 297–298. PMID 16292295. doi:10.1038/438297a. 
  10. Susan C. Wu & Yi Zhang (2010). Active DNA demethylation: many roads lead to Rome. Nature Reviews Molecular Cell Biology 11: 607–620. PMID 20683471. doi:10.1038/nrm2950. 
  11. а б в Sandrine Augui, Elphège P. Nora & Edith Heard (2011). Regulation of X-chromosome inactivation by the X-inactivation centre. Nature Reviews Genetics 12: 429–442. PMID 21587299. doi:10.1038/nrg2987. 
  12. Philip Avner & Edith Heard (2001). X-chromosome inactivation: counting, choice and initiation. Nature Reviews Genetics 2: 59–67. PMID 11253071. doi:10.1038/35047580. 
  13. а б Céline Morey and Wendy Bickmore (2006). Sealed with a X. Nature Cell Biology 8: 207–209. PMID 16508671. doi:10.1038/ncb0306-207. 
  14. Monkhorst K, Jonkers I, Rentmeester E, Grosveld F, Gribnau J. (2008). X Inactivation Counting and Choice Is a Stochastic Process: Evidence for Involvement of an X-Linked Activator. Cell 132: 410–421. PMID 18267073. doi:10.1016/j.cell.2007.12.036. 
  15. Tim R Mercer & John S Mattick (2013). Structure and function of long noncoding RNAs in epigenetic regulation. Nature Structural & Molecular Biology 20: 300–307. PMID 23463315. doi:10.1038/nsmb.2480. 
  16. Henry L. Levin & John V. Moran (2011). Dynamic interactions between transposable elements and their hosts. Nature Reviews Genetics 12: 615–627. PMID 21850042. doi:10.1038/nrg3030. 
  17. Laura Carrel1 & Huntington F. Willard (2005). X-inactivation profile reveals extensive variability in X-linked gene expression in females. Nature 434: 400–404. PMID 15772666. doi:10.1038/nature03479. 
  18. а б Deng X, Hiatt JB, Nguyen DK, Ercan S, Sturgill D, Hillier LW, Schlesinger F, Davis CA, Reinke VJ, Gingeras TR, Shendure J, Waterston RH, Oliver B, Lieb JD, Disteche CM. (2011). Evidence for compensatory upregulation of expressed X-linked genes in mammals, Caenorhabditis elegans and Drosophila melanogaster. Nature Genetics 43: 1179–1185. PMID 22019781. doi:10.1038/ng.948. 
  19. Okamoto I, Patrat C, Thépot D, Peynot N, Fauque P, Daniel N, Diabangouaya P, Wolf JP, Renard JP, Duranthon V, Heard E. (2011). Eutherian mammals use diverse strategies to initiate X-chromosome inactivation during development. Nature 472: 370–374. PMID 21471966. doi:10.1038/nature09872. 
  20. Inês Chen (2013). A lncRNA for the active X. Nature Structural & Molecular Biology. doi:10.1038/nsmb.2538. 
  21. Céline Vallot, Christophe Huret, Yann Lesecque, Alissa Resch, Noufissa Oudrhiri, Annelise Bennaceur-Griscelli, Laurent Duret & Claire Rougeulle (2013). XACT, a long noncoding transcript coating the active X chromosome in human pluripotent cells. Nature Genetics 45: 239–241. PMID 23334669. doi:10.1038/ng.2530. 
  22. Grant J, Mahadevaiah SK, Khil P, Sangrithi MN, Royo H, Duckworth J, McCarrey JR, VandeBerg JL, Renfree MB, Taylor W, Elgar G, Camerini-Otero RD, Gilchrist MJ, Turner JM. (2012). Rsx, a metatherian RNA with Xist-like properties. Nature 487: 254–258. PMID 22722828. doi:10.1038/nature11171. 
  23. а б Renault NK, Pritchett SM, Howell RE, Greer WL, Sapienza C, Orstavik KH, Hamilton DC. (2013). Human X-chromosome inactivation pattern distributions fit a model of genetically influenced choice better than models of completely random choice. European Journal of Human Genetics. PMID 23652377. doi:10.1038/ejhg.2013.84.