Неслучайная инактивация х хромосомы

Инактивация X-хромосомы

Инактивация X-хромосомы,ИXХ (англ. XIC, X-chromosome inactivation) — процесс дозовой компенсации генов у млекопитающих, который приводит к транскрипционной активности только одной половой X-хромосомы у самок и самцов.

Инактивация происходит по правилу (n-1), где n — количество X-хромосом в ядре. X-хромосома — одна из двух половых хромосом у млекопитающих. У большинства млекопитающих самцы имеют половую Y-хромосому и одну X-хромосому, тогда как у самок — две X-хромосомы.

Классическое определение инактивации X-хромосомы — процесс, в котором одна из двух половых хромосом у самок млекопитающих становится неактивной.

Однако при определенных патологиях и анеуплоидии количество X-хромосом может быть другой: так при синдроме Клайнфельтера возможные варианты существ мужского пола XXY, XXXY, XXXXY; при синдроме Шерешевского-Тернера самки есть моносомиком по X-хромосоме — X0, также существуют самки-трисомик по X — XXX.

Инактивация X-хромосомы происходит таким образом, что активной остается только одна X-хромосома, а все остальные превращаются в тельца Бара.

(Например, в нормальной самки XX активной будет одна X-хромосома, вторая инактивируется, у самца с синдромом Клайнфельтера XXXY будет активной одна X-хромосома, две — нет).

История открытия

Открытию инактивации X-хромосомы Мэри Лайон в 1961 году предшествовала серия открытий в цитогенетике.

Работы Теодора Бовери (англ. Theodor Heinrich Boveri) 1888 привели сильные доводы в поддержку гипотезы, что именно хромосомы являются носителями генетической информации в клетке. Уже 1905 Натти Стивенс (англ. Nettie Maria Stevens) предложила теорию, половые хромосомы отличаются у разных полов.

Эдмунд Уилсон (англ. Edmund Beecher Wilson) сделал аналогичное открытие независимо 1905 года. 1949 году работы Мюррея Барра (англ.

[attention type=yellow]

Murray Llewellyn Barr) доказали, что пол дифференцированных соматических клеток модельных объектов может быть определено путем подсчета структур в ядре, которым дали название тельца Барра.

[/attention]

1959 Сусуму Оно (англ. Susumu Ohno) установил, что тельца Барра — то есть X-хромосома. 1959 В. Вельшонс (англ. WJ Welshons) и лианы Расселл (англ. Liane B. Russell) доказали, что мыши-моносомиком по X-хромосоме, X0, — фенотипически нормальные, способные к размножению самки, навело на мысль, что только одной X-хромосомы достаточно для нормального развития.

Мере Лайон (англ. Mary F. Lyon) 1961 изучала окраски меха мышей, что является признаком, сцепленной с полом, и кодируется в X-хромосоме.

Она установила, что самцы XY всегда окрашены монотонно, тогда как самки XX могут быть фенотипическими мозаиками — иметь разноокрашенных мех, а самцы XXY также могут иметь различную окраску меха.

Таким образом Мэри Лайон установила, что неактивная X-хромосома (у тельцах Барра), может быть как родительской, так и материнского происхождения.

По случаю 50 лет открытия инактивации X-хромосомы в июле 2011 года была проведена конференция Европейской Организации Молекулярной Биологии.

Механизм инактивации

У большинства млекопитающих, самки имеют две Х-хромосомы, в то время как самцы имеют одну Х-хромосому и одну Y-хромосому.

Y-хромосома определяет пол в раннем эмбриональном периоде путем экспрессии транскрипционного фактора, кодируется SRY геном, который включает каскад реакций, приводящих к фенотипу самца. При отсутствии SRY развивается фенотип самки.

У самцов (XY) и самок (XX) возникает неравновесие в дозе генов, особенно учитывая, что Y-хромосома намного меньше Х-хромосому, и кодирует лишь небольшое количество генов. Инактивация X-хромосомы балансирует такую ​​неравновесие.

[attention type=red]

Одна из Х-хромосом в клетках самок выключается эпигенетически, то есть последовательность нуклеотидов в ДНК не меняется.

[/attention]

Вместо этого образуется плотный гетерохроматин — физико-химическое состояние всей хромосомы или ее части, в котором затруднена взаимодействие факторов транскрипции с ДНК — и процесс считывания РНК с этой хромосомы не происходит.

Образование гетерохроматина происходит с помощью метилирования ДНК и модификации гистонов белков, а при инактивации Х-хромосомы важную роль играют длинные некодирующие РНК.

Процесс инактивации X-хромосомы состоит из нескольких этапов:

• подсчет X-хромосом;
• выбор хромосомы для инактивации;
• начало инактивации;
• поддержания X-хромосомы в неактивном состоянии.

В дальнейшем неактивная X-хромосома остается стабильно заглушенной. В этом важную роль играет метилирования ДНК — эпигенетический процесс, заключающийся в добавлении метильной группы к нуклеотида цитозина. Такая биохимическая изменение может поддерживаться долгое время и влиять на активность генов.

Компоненты гетерохроматина неактивной X-хромосомы отличаются от гетерохроматина в других хромосомах. На неактивной X-хромосоме найден вариант гистонов белка macroH2A, и белок Trithorax. Также установлено, что, в отличие от других хромосом, белковые компоненты неактивной X-хромосомы распределены равномерно по всей ее длине.

Изучение инактивации X-хромосомы пролило свет на несколько молекулярно-биологических процессов: роль длинных некодирующих РНК, геномный импринтинг и соматическое спаривания хромосом у млекопитающих.

Методика RAP-MS (англ. RNA antisense purification followed by quantitative mass spectrometry) позволяет изучать in vivo взаимодействие белков и длинных некодирующих РНК.

С помощью RAP-MS в 2015 году установили, что для размещения днРНК Xist на хромосоме, необходимо действие белка SAFA (англ. Scaffold attachment factor A). Кроме этого, исключение (нокдаун) генов, кодирующих белки, SHARP (англ. SMRT and HDAC1-associated repressor protein) и LBR (англ.

Lamin-B receptor) приводило к остановке инактивации X-хромосомы в опытах над эмбриональными стволовыми клетками мышей.

При размещении Xist на X-хромосоме с этой хромосомой уже не соединяется РНК-полимераза II — полимераза, которая транскрибирует большинство мРНК.

[attention type=green]

Исключение гена, кодирующего SAFA приводило к хаотическому размещения Xist, тогда как исключение гена, кодирующего белок SHARP приводило к возвращению РНК-полимеразы II. Также белок SHARP взаимодействует с белками-ремодуляторамы структуры хроматина, такими как гистондеацетилазы.

[/attention]

Причем, исключение гистондеацетилазы 3 (HDAC3), а не других видов гистондеацетилаз, приводило к нарушению механизма инактивации X-хромосомы.

Важным элементом инактивации является действие репрессивного комплекса Polycomb, PRC2 (англ. Polycomb repressive complex 2), однако действие комплекса PRC2 не важна при инициации процесса инактивации, скорее в поддержании хромосомы в инактивированном состоянии — триметилюванни 27 лизина H3 гистона (H3K27me3 см табличку “Сравнение еу- и гетерохроматина “)

ЦИX — центр инактивации X-хромосомы

Исследования на мышиных моделях установили, что для инактивации X-хромосомы нужна особая участок — центр инактивации X-хромосомы, ЦИX (англ. XIC, X inactivation centre).

Центр инактивации X-хромосомы состоит примерно из миллиона пар оснований, имеет несколько элементов, участвующих в инактивации X-хромосомы, и содержит по крайней мере четыре гена. Для начала инактивации нужно два таких центра, по одному на каждой хромосоме, и необходимо, чтобы между ними была связь.

Взаимодействие между двумя гомологичными X-хромосомами происходит в центре инактивации. Но остается открытым вопрос, что именно является причиной, а что следствием: или сближение хромосом приводит к началу инактивации, или наоборот.

Xist

В пределах участка центра инактивации X-хромосомы закодировано ген Xist (англ. X-inactive specific transcript), который транскриптуеться в длинную некодирующих РНК Xist.

Xist покрывает ту X-хромосому, что будет неактивной (сначала в зоне ЦИX, а затем — по всей длине хромосомы).

В процессе эмбрионального развития Xist экспрессируется с обеих хромосом, но потом в одной X-хромосоме экспрессия Xist прекращается (и именно эта хромосома останется активной). Подавление экспрессии Xist совпадает по времени с началом инактивации X-хромосомы.

При гетерозиготной мутации Xist, то есть такой, когда нормальный Xist есть только на одной из двух гомологичных хромосом, и X-хромосома, в которой есть мутантный Xist, а не инактивируется.

Tsix

С локуса центра инактивации X-хромосомы считывается антизмистовний транскрипт с комплементарной цепи ДНК того же гена Xist. Такой нкРНК дали название Tsix (Xist написан задом-наперед), и установили, что Tsix — отрицательный регулятор Xist, и его экспрессия необходима для поддержки X-хромосомы в активном состоянии.

Много трудов указывают на то, что именно соотношение Tsix / Xist важно для выбора, который аллель будет глушиться, и, соответственно, какую хромосому будет инактивированная.

[attention type=yellow]

Есть данные, что именно Tsix приводит к ассоциации двух гомологичных X-хромосом, и экспрессия Tsix РНК является необходимым, но не достаточным условием для подсчета и выбора хромосомы для инактивации

[/attention]

Tsix стала первой известной антизмистовною РНК млекопитающих, встречается в природе и имеет четкую функцию in vivo.

Дополнительные регуляторы

В зоне центра инактивации X-хромосомы найдено большое количество участков, которые влияют на процесс ИXХ.

Такие участки влияют на процесс инактивации X-хромосомы как в цис, так и в транс-положении, то есть как на одной и той же хромосоме, на которой они расположены (цис-регуляторный элемент), так и на другой (транс-регуляторный элемент ). Многие некодирующих РНК влияют на активность Xist и Tsix (Jpx, Ftx и Tsx).

Xite

Xite (англ. X-inactivation intergenic transcription element) — еще один некодирующих транскрипт, который расположен перед Tsix и действует как усилитель экспрессии Tsix на будущий активной X-хромосоме.

LINE1

В геноме человека значительную часть всей последовательности ДНК составляют так называемые транспозонов, или мобильные элементы генома.

Часть их является Ретротранспозон (у человека Ретротранспозон занимают до 42% генома) — мобильными элементами, которые копируют и вставляют себя в геном с помощью транскрипции с ДНК на РНК, а затем обратной транскрипции с РНК в ДНК. LINE1 (англ.

Long Interspersed Nuclear Elements) — один из активных ретротранспозонов у человека. LINE1 встречается в X-хромосоме гораздо чаще, чем в других хромосомах. Есть работы, которые указывают на участие РНК LINE1 в инактивации X-хромосомы.

Серия активаций и инактиваций X-хромосом

На начальных стадиях развития разница, какого происхождения X-хромосома, родительского или материнского. С начала эмбриогенеза X-хромосома отцовского происхождения всегда неактивна. В этом процессе важную роль играет геномный импринтинг. Затем, в период формирования бластулы обе X-хромосомы активируются.

В дальнейшем развитии в эмбриональных клетках инактивация X-хромосом происходит в произвольном порядке, независимо от происхождения X-хромосом.

Но в позаембриональних тканях (включая трофобластом, что формирует большую часть плаценты) активной остается только X-хромосома от матери, а родительская X-хромосома инактивируется.

Далее в зародыше при формировании будущих половых клеток (гаметогенез) происходит следующий этап активаций X-хромосом перед мейотического деления. Каждая из X-хромосом получает постоянную импринтну метку, указывающую, которого она происхождения.

Гены, считываются с неактивной X-хромосомы

Некоторые гены, расположенные на неактивной X-хромосоме, избегают подавления и экспрессируются с обеих X-хромосом.

В человеческой линии фибробластов 15% генов, расположенных на неактивной X-хромосоме, в той или иной степени экспрессируются.

Уровень считывания этих генов сильно зависит от того, в какой части хромосомы они закодированы. Такие гены приводят к многообразию, которое зависит от пола и типа ткани.

Инактивация X-хромосомы у разных видов

Основные работы по изучению инактивации X-хромосомы было сделано на мышах. В последние годы поступает все больше данных, мышиная модель инактивации X-хромосомы отличается от других млекопитающих.

У кроликов и людей Xist -гомолог не подлежит импринтинга, Xist считывается с обеих хромосом. У кроликов это может включить процесс ИXХ на обоих X-хромосомах.

Более того, X-хромосомы у многих видов имеют достаточно специфический набор генов: такие гены имеют низкий уровень экспрессии в соматических тканях, но высокий уровень экспрессии — в тканях, участвующих в репродуктивных функциях организма (например, яичники).

XACT РНК у человека

2013 исследователи РНК человека обнаружили длинную некодирующих РНК XACT (англ. X-active coating transcript), что связывается с активной X-хромосомой.

XACT экспрессируется с активной X-хромосомы, но при дифференциации глушится, и уже в дифференцированных клетках (таких , как фибробласты) XACT РНК нет.

При отсутствии XIST -РНК, XACT экспрессируется с обеих X-хромосом у человека, но не в мыши.

Сумчатые

У сумчатых форуме Xist -РНК и неизвестно, как происходит процесс инактивации X-хромосомы. Но у одного из видов опоссумов, Monodelphis domestica, найдено длинную некодирующих РНК Rsx (англ. RNA-on-the-silent X), которая похожа по функциям с Xist и участвует в инактивации X-хромосомы.

Случайность выбора X-хромосомы

Ранее считалось, что выбор хромосомы для инактивации полностью случайный, и каждая из двух гомологичных X-хромосом будет инактивированная с вероятностью 50%.

Но появились публикации, доказывающие, что в некоторых модельных организмах генетические факторы влияют на выбор. Так, у мышей существуют регуляторные элементы (англ.

Xce, X-controlling element), которые имеют три аллельные формы, и одна из них, Xce c, чаще встречается в активной X-хромосоме, тогда как Xce a чаще встречается в неактивной.

Остается невыясненным, в произвольном порядке происходит инактивация X-хромосомы человека. Последние исследования указывают на то, что генетическое окружение может влиять на выбор X-хромосомы, которая будет инактивированная.

Источник: https://info-farm.ru/alphabet_index/i/inaktivaciya-x-khromosomy.html

Cell Biology.ru

Инактивация Х-хромосомы у млекопитающих
Инактивация Х-хромосомы у дрозофилы

Инактивация Х-хромосомы у млекопитающих

Основное генетическое различие между полами заключается в наличии разного числа Х-хромосом – одна Х-хромосома у самцов и две у самок. Для того, чтобы компенсировать лишнюю дозу гена, у самок происходит инактивация Х-хромосомы.

В раннем эмбриогенезе в эпибласте полностью инактивируется одна из Х-хромосом. Она конденсируется, переходя в неактивное состояние, превращаясь в тельце Барра (рис.1). Процесс инактивации Х-хромосомы называется дозовой компенсацией.

рис.1 Клеточное ядро самки с тельцем Барра – конденсированная Х-хромосома на фоне деконденсированных хромосом в интерфазе

Имеется два вида инактивации – специфическая, когда инактивируется определенная Х-хромосома, например только отцовская Х-хромосома у сумчатых (кенгуру), и случайная, когда выбор того, какая Х-хромосома будет инактивирована случаен (плацентарные млекопитающие).

[attention type=red]

Хотя во внезародышевых органах плацентарных также происходит специфическая инактивация.
Центром инактивации является участок Х-хромосомы, называемый Xic (рис.2, 3), имеющий длину по разным данным 35, 80 тпн, или даже больше, что зависит от рассматривания прилежащих последовательностей, участвующих в регуляции инактивации.

[/attention]

Xic содержит, как минимум, Xist – ген, кодирующий нетранслируемую RNA, Tsix – антисмысловой локус, содержащий различно метилируемый минисателлитный маркер DXPas34. Так же, очевидно, в формировании Xic участвует последовательность на 3' конце Xist. Вероятно, что другие регулирующие последовательности лежат дальше 3' конца гена Xist.

Один из таких регуляторов содержит Xce локус, открытый как модификатор выбора Х-хромосомной инактивации.

рис. 2 (A) На рисунке показаны основные элементы инактивирующего центра, гены Xist и антисмысловой ген Tsix, соседние гены Tsx, Brx и Cdx. Предполагаемые участки, ответственные за выбор (красн.), счет дозы хромосом (желт.), и Xce (син.). Предполагаемые участки 35 kb и 80 kb мышиного Xic. (B) Этапы инактивации Х-хромосомы.рис.

3 Транскрипционная карта Xic района у мыши и человека. Показано 11 генов мышиного Xic района: Xpct, Xist, Tsx, Tsix, Chic1, Cdx4, NapIl2, Cnbp2, Ftx, Jpx и Ppnx. Гены, кодирующие белки, показаны желтым. РНК четырех из 11 генов Xist, Tsix, Ftx и Jpx нетранслируются, показаны красным.

Гены, обнаруженные у мышей и человека, консервативны, кроме Ppnx и Tsix. Tsx у человека стал псевдогеном. Человеческий Xic длиннее мышиного примерно в три раза. Не смотря на такую разницу в размерах, расположение и ориентация генов одинакова. Исключением является Xpct, который имеет одинаковое положение, но инвертированную ориентацию.

Места диметилирования лизина 9 в гистоне H3 и гиперацетилирования H4 показаны синим и зеленым под транскрипционной картой. Отдельно показаны минимальный промотор гена Xist, занимающий позицию -81- +1, и регуляторный элемент – сайленсер.

Инактивация разделяется на стадии: определение дозы, выбор, инициация, устанавливание и поддержание.

Эти процессы являются генетически различными и все они, кроме поддержания, контролируются Xic. Во время счета дозы клетка определяет число Х-хромосом относительно числа аутосом. Помимо локусов на аутосомах в этом этапе принимает участие участок за 3' конце Xist.

Во время выбора происходит определение того, какая из двух Х хромосом будет инактивирована. В этом процессе принимает участие последовательности в пределах Xist, Tsix и Xce.

[attention type=green]

Выбор того, какая Х-хромосома инактивируется, случаен, но это может регулироваться аллелями Xce (X-linced X controlling element). В различных мышиных линиях было обнаружено три таких аллеля – слабый Xcea, промежуточный Xceb и сильный Xcec.

[/attention]

В гетерозиготах наиболее часто инактивируются те, которые несут более слабый аллель. Например, степень инактивации у гетерозигот Xcea/Xcec приблизительно 25:75. У гомозигот выбор происходит случайно. Xce локус расположен вблизи Xic.

Предполагается, что Xce связывают транс-факторы, регулирующие работу генов в Xic, предопределяя выбор между Х-хромосомами.

Инактивацию Х-хромосом можно увидеть, используя мышей с мутацией по гену окраски шерсти (например brindled) на одной Х-хромосоме и нормальный ген на другой. Клетки дикого типа дают черный цвет, а мутантные белый. (рис.4)

рис.4 Визуализация инактивации определенной Х хромосомы.

В недифференцированных клетках изначально гены Xist и Tsix экспрессируются одновременно на каждой Х-хромосоме. Но позже на одной из Х-хромосом репрессируется ген Tsix, что ведет к увеличению уровня экспрессии Xist.

РНК Xist присоединяет различные белки, образуя комплексы, которые распределяются вдоль всей Х-хромосомы, запуская ее инактивацию. На другой хромосоме не происходит репрессии гена Tsix и его антисмысловая РНК связывает РНК Xist, блокируя ее накопление (рис.5). Такая хромосома останется в активном состоянии.

РНК гена Xist не способна переходить с одной Х-хромосомы на другую.

Рис.5 Модель работы Tsix. (A) Во время транскрипции Tsix блокируется транскрипция Xist. (B) Транскрипция Xist подавлятеся антисмысловой ориентацией RNA-полимеразы и всего транскрипционного комплекса. (С) Сайты, к которыми присоединяются РНК Xist-связывающие белки, могут блокироваться слиянием смысловой и антисмысловой РНК.

(D) Появление нестабильного комплекса слившихся смысловой и антисмысловой РНК.

На более поздних этапах происходит замена H2A гистона его аналогом macro H2A (см. обзор Гистоны) и метилирование H3K27, участие различных транс-факторов, CpG метилирование ДНК в промоторах. В конечном итоге происходит установление гетерохроматина по общей концепции (см. обзор Гетерохроматин).

Поддержание инактивации.
Инициация инактивации контролируется эксперссией Xist и, однажды установившись, инактивированное состояние больше не зависит от Xic и Xist. На гибридах человеческих и мышиных клеток показвно, что при делеции гена Xist человеческая Х-хромосома поддерживает инактивированное состояние, что указывает на независимое от Xist поддержание инактивации Х-хромосомы.

Хотя присутствие Xist после установления инактивации стабилизирует ее.

Инактивация Х-хромосомы у Drosophila

Сокращения:
Xic – Х inactivation centre -Центр инактивации Х-хромосомы. Xi -X inactive – инактивируемая Х хромосома.

Xa – X-active – активируемая Х хромосома.

Источник: https://cellbiol.ru/book/genetika/inaktivaciya_hhromosomy