геномед - анализы и цены. Генетические последствия инактивации хромосомы Инактивация X-хромосомы у разных видов

ДНК человека упакована в 23 пары хромосом разного размера. Одна хромосома из каждой пары унаследована от наших отцов (отцовский гомолог), а другая - от наших матерей (материнский гомолог). Двадцать две пары, в совокупности называемые аутосомами и пронумерованные числами 1-22 в порядке убывающей величины, одинаковы у самцов и самок, тогда как одна пара, половые хромосомы, различается между полами. Самки обладают двумя копиями хромосомы среднего размера, обозначаемой как Х-хромосома, в то время как самцы имеют одну Х-хромосому и одну копию более мелкой, бедной генами хромосомы, обозначаемой Y. У самцов Х-хромосома всегда наследуется от матери, a Y-хромосома - от отца, тогда как у самок одна Х-хромосома - материнская (Хm), а другая - отцовская (Хр). Это хромосомное различие между полами является обычным у млекопитающих и многих других организмов и представляет собой часть биологического механизма, посредством которого определяется пол. Однако для организма это связано с рядом эволюционных проблем, в том отношении, что два пола различаются по числу сцепленных с X генов, которые они имеют; самки обладают вдвое большим их количеством, чем самцы. Это может приводить к дисбалансу в количестве генных продуктов (РНК и белков), который, в свою очередь, требовал бы различий в контроле метаболизма и других клеточных процессов. Чтобы избежать этого, возникли механизмы компенсации дозы генов , уравновешивающие уровни продуктов сцепленных с X генов у обоих полов.

У млекопитающих механизм компенсации дозы связан с выключением (сайленсированием) большинства генов только на одной из двух Х-хромосом, так что у самок, как и у самцов, имеется только одна активная хромосома. Это радикальное решение, обычно называемое инактивацией Х-хромосомы, впервые было предложено в 1961 году Мэри Лайон для того чтобы объяснить паттерны экспрессии сцепленных с X генов окраски меха у мышей, сходные с паттерном окраски меха у кошки "calico", изображенной на рисунке в начале главы 17 . С тех пор более 40 лет интенсивных исследований было посвящено попыткам разобраться в этих интригующих и сложных механизмах, осуществляющих этот процесс. Мы знаем, что инактивация X происходит на ранних этапах развития, но сложным образом. Очень рано, когда эмбрион состоит всего лишь из нескольких клеток, отцовская Х-хромосома избирательно инактивируется во всех клетках. Хр должна быть как-то маркирована, "импринтирована" для инактивации. Позднее, на стадии бластоцисты (непосредственно перед имплантацией), когда зародыш состоит из 50-100 клеток, в тех клетках, которые в дальнейшем сформируют сам эмбрион (локализованных во внутренней клеточной массе [ ICM ]), Хр вновь активируется, так что, говоря коротко, у самок имеются две активные Х-хромосомы. Затем либо Хр, либо Хm случайно выбирается для инактивации, и гены на ней сайленсируются. Любопытно, что в тех клетках бластоцисты, которые в дальнейшем формируют экстраэмбриональные ткани (плаценту и желточный мешок), Хр остается "молчащей". Вопрос о том, каким образом для инактивации "выбирается" одна из X в ICM, остается пока что без ответа.

Х-хромосома, выбранная для инактивации, остается "молчащей" на протяжении всех последующих клеточных генераций. Это одна из наиболее стабильных форм сайленсинга генов, которая нам известна, и попытки экспериментально добиться ее реверсии неизменно оказывались безуспешными. Однако ооциты (женские зародышевые клетки) способны ревертировать этот процесс инактивации, так что они обладают двумя активными X в мейозе, и единственная Х-хромосома в зрелом, гаплоидном яйце также активна.

Исследования процесса инактивации X выявили новые молекулярные механизмы сайленсинга генов . Инициацию сайленсинга вызывает повышенная экспрессия некодирующей РНК, транскрибируемой с гена, обозначенного XIST, с одной только из двух женских Х-хромосом. Эта РНК покрывает Х-хромосому, содержащую ген XIST , которая включается, что выглядит как участок зеленой окраски на фотографии клеточного ядра (см. рисунок в начале главы 17). Этим далее инициируется сайленсинг генов по всей этой хромосоме. Сам XIST остается включенным. После покрытия XIST неактивная, "молчащая" X претерпевает ряд изменений. Главные белки, упаковывающие ДНК, гистоны, подвергаются химическим модификациям в функционально важных сайтах. Например, уровни ацетилирования избранных остатков лизина катастрофически падают, тогда как метилирование других лизинов увеличивается. Вслед за этими изменениями происходит метилирование избранных участков на неактивной Х-хромосоме, Xi, - процесс, часто связанный с долговременным сайленсингом генов. Все эти и другие изменения придают неактивной Х-хромосоме очень характерную структуру, которая нередко описывается как конденсированная и которая видна в клеточном ядре как отчетливая глыбка плотной ДНК, известная как тельце Бара .

На протяжении последних лет исследования инактивации Х-хромосомы позволили проникнуть в фундаментальные эпигенетические механизмы сайленсинга генов и в то, каким образом паттерны экспрессии генов регулируются в ходе развития. Можно с уверенностью предсказать, что так будет и дальше.

мосомы. В 1949 г. Барр и Бертрам (Barr, Bertram, 1949) обнаружили в ядрах нейронов кошки интенсивно окрашенные тельца, расположенные вблизи ядерной оболочки. Позже эти тельца, названные тельцами Барра , были обнаружены у самок многих млекопитающих, в том числе и у человека: было показано, что они представляют собой неактивную Х-хромосому (рис. 11.2). Это означает, что, хотя в клетках самок содержатся две Х-хромосомы. а в клетках самцов - только одна, у самок транскрипционно активна может быть лишь одна Х-хромосома. Этот феномен называют компенсацией дозы гена . В одной из наиболее ранних работ по инактивации Х-хромосомы изучали закономерности окраски мышей (Магу Lyon, 1961). Если пигментация волосяного покрова определяется аутосомным геном, то окраска мыши будет либо такой, как у одного из родителей, либо промежуточной. В любом случае мышь будет одноцветной. Однако если самка мыши гетерозиготна по Х-сцепленному гену окраски, то результат будет совершенно иной: она будет пятнистой (рис. 11.3). Для объяснения этого феномена исследовательница предложила следующую гипотезу: 1) В ходе раннего развития самок млекопитающих обе Х-хромосомы активны. 2) Впоследствии

112 _______________ ГЛАВА 11______________________________________________________________________________

одна из Х-хромосом в каждой клетке выключается.

Эта инактивация происходит случайным образом. В одних клетках инактивируется отцовская Х-хромосома, тогда как в других – материнская.

3) Этот процесс является необратимым. Коль скоро Х-хромосома инактивировалась, она будет неактивной у всех потомков этой клетки. (Участки пигментации у этих мышей достаточно большие.) Таким образом, все ткани у самок млекопитающих являются мозаиками из клеток двух типов.

Некоторые из наиболее убедительных данных в пользу этой модели были получены в биохимических экспериментах с клонами клеток человека. Существует наследственная болезнь человека, называемая синдромом Леша–Найхана; эта болезнь характеризуется отсутствием фермента гипоксантинфосфорибозилтрансферазы (ГФРТ), синтез которого контролируется Х-хромосомой. Синдром Леша–Найхана передается с Х-хромосомой. Это означает, что мужчины, несущие соответствующую мутацию в своей единственной Х-хромосоме, заболевают и умирают от этой болезни. У женщин присутствие мутантного гена ГФРТ может маскироваться другой Х-хромосомой, которая несет аллель дикого типа. Женщина, у которой имеются сыновья, страдающие этой болезнью, является переносчиком, поскольку у нее имеется мутантный ген ГФРТ на одной Х-хромосоме и ген ГФРТ дикого типа на другой Х-хромосоме. Если представленная выше гипотеза правильна, то у такой женщины клетка должна синтезировать либо активный, либо неактивный фермент ГФРТ в зависимости от того, какая Х-хромосома функционирует. Для проверки этого положения индивидуальные клетки кожи, взятые от женщины, гетерозиготной по гену ГФРТ, помещали в культуральную жидкость (Barbara Migeon, 1971). Каждая из этих клеток делилась, образуя клон. При окрашивании этих клонов на присутствие ГФРТ дикого типа было выявлено, что примерно половина клонов содержала этот фрагмент, а половина - нет (рис. 11.4).

Еще один ген Х-хромосомы кодирует глюкозо-6-фосфатдегидрогеназу (Г6ФДГ). У этого фермента имеются обычно два электрофоретических варианта: Г6ФДГ-А и Г6ФДГ-В. Для мужчин характерен вариант А либо В, тогда как женщины в отношении фенотипа по этому ферменту могут быть А, В или AB. В клетках кожи гетерозиготных женщин обнаруживаются оба варианта Г6ФДГ (рис. 11.5). Однако изолированные клоны, полученные после клонирования индивидуальных клеток кожи от этих гетерозигот, экспрессируют только один из двух возможных вариантов. Ни один из клонов не экспрессировал оба варианта (Davidson et al., 1963).

Гипотеза об инактивации Х-хромосомы прекрасно объясняет дифференциальную инактивацию генов на уровне транскрипции. О ее важности дополнительно свидетельствовали некоторые интересные исключения из общих правил. Во-первых, гипотеза оказалась справедливой в отношении сома-

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. 2: Пер. с англ. – М.: Мир, 1994. – 235 с.

__________________ ИЗМЕНЕНИЕ ТРАНСКРИПЦИИ В ХОДЕ РАЗВИТИЯ __________________________________ 113

Рис. 11.4. Устойчивая инактивация Х-хромосомы. Приблизительно 30 клеток от женщины, гетерозиготной по гену, обусловливающему недостаточность фермента ГФРТ, помещали в чашку Петри для культивирования. Клетки визуализировали с помощью радиоавтографии после инкубации в среде, содержащей радиоактивный гипоксантин. Клетки, содержащие ГФРТ, включают радиоактивные соединения в свою РНК и засвечивают фотографическую эмульсию, нанесенную поверх них. Клоны клеток без ГΦΡТ выглядят более светлыми, так как их клетки не могут включать радиоактивные соединения (Из Migeon, 1971; фотография с любезного разрешения В. Migeon)	Рис. 11.5. Две популяции клеток у женщин. Электрофорез препаратов, полученных из клеток кожи женщин, гетерозиготных по гену Г6ФДГ, показывает, что синтез происходит на обеих хромосомах, но на разных хромосомах в различных клетках. В культивированных гетерозиготных клетках кожи (дорожка 3) содержатся ферменты обоих типов. Однако в каждом клоне индивидуальных клеток кожи (дорожки 4–10) наблюдается только одна форма фермента.
	Рис. 11.6. В ооцитах млекопитающих обе Х-хромосомы активны. Электрофорез клеток из яичников (дорожки 1 и 2) и легкого (дорожка 3) 14-недельного плода человека, гетерозиготного по Г6ФДГ. Клетки легкого экспрессируют А(АА)- и В(ВВ)-формы фермента, тогда как клетки яичника содержат также гетеродимер (AB). Выраженные А- и B-зоны в случае яичников отражают тот факт, что клетки собственно яичников экспрессируют только А- и B-формы фермента, а гетеродимер экспрессируется только в ооцитах. (Фотография с любезного разрешения В. Migeon.)

тических клеток. В женских половых клетках неактивная Х-хромосома реактивируется незадолго до вхождения клеток в мейоз (Кratzer, Chapman, 1981; Gartler et al., 1980). Таким образом, в зрелых ооцитах обе Х-хромосомы оказываются активными. Это показано на рис. 11.6. Глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа является димерным ферментом, поэтому каждая соматическая клетка содержит ферменты, построенные из двух А-субъединиц или из двух В-субъединиц. У гетерозиготной самки в одних клетках будет содержаться фермент, состоящий из двух А-субъединиц. тогда как в других - состоящий из двух В-субъединиц (в зависимости от того, какая Х-хромосома активна в конкретной клетке). Однако если в одной и той же клетке активны обе Х-хромосомы, то следует ожидать появления молекул этого фермента, состоящих из одной А-субьединицы и одной В-субъединицы. Именно это наблюдается в ооцитах (Gartler et al., 1973; Migeon, Jalalian, 1977). В них обнаруживается АВ-гетеродимер, что свидетельствует о транскрипционной активности в одной и той же клетке обеих Х-хромосом.

Вторая группа исключений касается случайного характера инактивации Х-хромосом. Правило случайности справедливо, однако иногда наблюдается предпочтительная инактивация отцовской Х-хромосомы. В тканях трофобласта самки мыши (у человека наблюдается иная ситуация) экспрессия материнской Х-хромосомы доминирует в такой степени, что отцовская Х-хромосома практически не экспрессируется. У сумчатых отцовская Х-хромосома также предпочтительно инактивируется во всех тканях зародыша (Sharman, 1971; Cooper et al., 1971). Мы пока не знаем, почему так происходит, но выяснение этого вопроса может оказаться ключе-

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. 2: Пер. с англ. – М.: Мир, 1994. – 235 с.

114 _______________ ГЛАВА 11 _____________________________________________________________________

Половые хромосомы (по Susumu Ohno, 1967) произошли от аутосом, которые в ходе эволюции дифференцировались генетически и морфологически, образовав хромосомы X и Y. Хромосома Y является результатом длительной прогрессивной „специализации", в процессе которой были сохранены гены дифференцировки пола и утеряны почти все аутосомные гены, а размеры хромосомы стали намного меньше. Хромосома X сохранила не только исходную форму, но также и большинство генов, как аутосомных, так и связанных с половой дифференцировкой. Различия в половых хромосомах не случайны, а имеют важное биологическое значение, так как они:

Препятствуют обмену генами между хромосомами X и Y в мейозе и обеспечивают сохранение в чистом виде половых детерминант каждой из половых хромосом;

Обеспечивают образование при оплодотворении зигот разного пола: XX или XY.

Половые хромосомы (гоносомы, гетеросомы) отличаются по структуре (длина, положение центромеры, количество гетерохроматина) и по содержанию генов.

Хромосома X - средняя метацентрическая хромосома (группа С); представлена в соматических клетках обоих полов: в двойном экземпляре в женском кариотипе - 46,ХХ и в единственном экземпляре - в кариотипе мужчин - 46,XY. В половых клетках хромосома X представлена следующим образом: в одном экземпляре во всех яйцеклетках и у 50% сперматозоидов. Хромосома X богата эухроматиновыми участками и содержит 1336 генов, среди которых:

■ структурные соматические гены (например, гены групп крови Xg, факторов свертывания крови VIII и IX, фермента 6-фосфатдегидрогеназы, цветного зрения и др.);

■ регуляторные гены феминизации,

■ структурные гены феминизации,

■ структурные гены маскулинизации.

Хромосома Y -мелкая акроцентрическая хромосома (группа G); 2/3 дистального плеча q представлены гетерохроматином в генетически неактивном состоянии. Хромосома Y представлена одним экземпляром во всех соматических клетках индивидов мужского пола с кариотипом 46ХY и у 50% сперматозоидов. Она содержит около 300 генов среди которых:

■ регуляторные гены маскулинизации (SRY=Tdf)

■ гены обеспечивающие фертильность (AZF1, AZF2)

■ структурные соматические гены (фактор контроля роста зубов, рецептор интерлейкина)

■ псевдогены.

Так как в женском кариотипе две хромосомы X, а у мужчин - только одна, то логично предположить, что в клетках женского организма должно быть в два раза больше конечных продуктов генов, локализованных в хромосоме X, чем в клетках мужчин. Однако, в реальности это не так, так как одна из хромосом X у женщин (в норме) или у индивидуумов с дополнительной хромосомой X (при патологии) инактивируется. В результате активной у обоих полов остается лишь одна хромосома X. Данное явление называется компенсацией сцепленных с X хромосомой генов

Гипотеза компенсации была сформулирована М. Лайон в 1961 году и включает три основных положения :

I. В соматических клетках млекопитающих активной является одна хромосома X, в то время как другая - инактивируется путем гетерохроматинизации с образованием тельца Барра, различимого в интерфазном ядре; инактивированная хромосома X реплицируется в конце фазы S.

II. Инактивация происходит на 16-й день эмбрионального развития, когда эмбрион состоит из ~3000-4000 клеток. До этого момента в каждой клетке женского эмбриона функционируют обе хромосомы X, т.е. вырабатывается вдвое больше, чем у мужских эмбрионов,- мРНК и ферментов, закодированных генами Х-хромосомы; вследствие этого, эмбрионы 46,ХХ,я 46,XY биохимически и функционально отличаются. Инактивация одной Х-хромосомы остается в дальнейшем неизменной у всех потомков данной клетки.

III. Процесс инактивации носит случайный характер, поэтому в половине клеток активной сохраняется материнская хромосома X, а в другой половине клеток активной остается отцовская хромосома X.

Анеуплоидия по Х-хромосоме - одна из наиболее частых онтогенетических аномалий. Относительная устойчивость кариотипа человека к хромосомным аномалиям Х-хромосомы может объясняться инактивацией Х-хромосомы, процессом, эпигенетически подавляющим большинство генов в одной из двух Х-хромосом у женщин, не давая им производить какие-либо продукты. Здесь мы обсудим хромосомный и молекулярный механизмы инактивации Х-хромосомы.

Инактивация Х-хромосомы . Теория инактивации гласит, что в соматических клетках здоровых женщин (но не у мужчин) одна Х-хромосома инактивируется в начале эмбрионального развития, уравнивая таким образом экспрессию генов этой хромосомы у двух полов. В нормальных женских клетках выбор инактивируемой Х-хромосомы произволен, а затем поддерживается в каждом клоне клетки.

Таким образом, женщины мозаичны по экспрессии Х-сцепленных генов ; некоторые клетки экспрессируют аллели, унаследованные от отца, другие клетки - от матери. Этот образец экспрессии генов отличает большинство Х-сцепленных генов от импринтируемых генов (также экспрессирующих только один аллель, но определяемых родительским началом не случайно), а также от большинства аутосомных генов, экспрессирующих оба аллеля.

Хотя неактивная Х-хромосома сначала была обнаружена цитологически по присутствию гетерохроматиновой массы (названной тельцем Барра) в интерфазных клетках, существует много эпигенетических характеристик, различающих активные и неактивные Х-хромосомы. Проливая свет на механизмы Х-инактивации, эти особенности могут быть диагностически значимыми для установления неактивной Х-хромосомы в клиническом материале.

Хромосомные характеристики Х-инактивации :
- Инактивация большинства генов, расположенных на неактивной Х-хромосоме
- Произвольный выбор одной из двух Х-хромосом в женских клетках

Неактивная Х-хромосома:
а) гетерохроматиновая (тельце Барра)
б) поздно реплицируется в S фазе
в) экспрессирует XIST-PHK
г) связана с модификациями гистона macroH2A в хроматине

Область промотора многих генов в неактивной Х-хромосоме существенно модифицируется присоединением метильной группы к цитозину при действии фермента ДНК-метилтрансферазы. Как уже упоминалось в контексте геномного импринтинга в главе 5, такое метилирование ДНК связано с CpG динуклеотидами и приводит к неактивному состоянию хроматина. Дополнительные различия между активными и неактивными Х-хромосомами связаны с гистоновым кодом и оказались существенной частью механизма Х-инактивации.

У пациентов с дополнительными Х-хромосомами все Х-хромосомы , кроме одной, инактивируются. Таким образом, все диплоидные соматические клетки как у мужчин, так и у женщин, имеют единственную активную Х-хромосому, независимо от общего числа Х- или Y-хромосом.

Хотя инактивация Х-хромосомы , несомненно, является хромосомным феноменом, не все гены в Х-хромосоме подвергаются инактивации. Расширенный анализ экспрессии почти всех генов Х-хромосомы показал, что по крайней мере 15% генов избегают инактивации и экспрессируются как в активных, так и неактивных Х-хромосомах. Кроме того, еще для 10% генов показана переменная инактивация; т.е. они избегают инактивации у одних женщин, но инактивируются у других.

Примечательно, что эти гены не распределены произвольно по Х-хромосоме : большинство генов, избегающих инактивации, расположены на плече Хр (до 50%), по сравнению с Xq (несколько процентов). Данный факт имеет большое значение для генетического консультирования в случаях частичной хромосомной анеуплоидии X, так как дисбаланс генов на Хр может иметь большее клиническое значение, чем дисбаланс Xq.

Центр Х-инактивации и ген XIST

При исследованиях структурно аномальных инактивированных Х-хромосом был картирован центр Х-инактивации в проксимальном отделе Xq, в полосе Xql3. Центр Х-инактивации содержит необычный ген XIST (англ. Xinactivate specific transcripts; специфическая транскрипция инактивированной Х-хромосомы), оказавшийся ключевым управляющим локусом Х-инактивации. Ген XIST имеет новую характеристику: он экспрессируется только в аллеле на неактивной Х-хромосоме; он отключен на активной Х-хромосоме как в мужских, так и в женских клетках.

Хотя точный способ действия гена XIST неизвестен, Х-инактивация не может происходить в его отсутствие. Продукт XIST - некодирующая белок РНК, остающаяся в ядре в тесной ассоциации с неактивной Х-хромосомой и тельцем Барра.

Неслучайная инактивация Х-хромосомы

Х-инактивация в норме происходит в женских соматических клетках случайным образом и приводит к мозаицизму по двум популяциям клеток, экспрессирующих аллели одной или другой Х-хромосомы. Тем не менее существуют исключения из этого правила, когда в кариотипе имеются структурно аномальные Х-хромосомы. Например, почти у всех пациентов с несбалансированными структурными аномалиями Х-хромосомы (включая делеции, дупликации и изохромосомы) структурно аномальная хромосома всегда неактивна, что, вероятно, отражает вторичный отбор против генетически несбалансированных клеток, которые могли бы привести к значимым клиническим аномалиям.

Из-за преимущественной инактивации аномальной Х-хромосомы такие аномалии Х-хромосомы имеют меньшее влияние на фенотип, чем аналогичные аномалии аутосом, и, следовательно, более часто обнаруживаются.

Неслучайную инактивацию наблюдают также в большинстве случаев транслокаций X на аутосому. Если такая транслокация сбалансирована, избирательно инактивируется нормальная Х-хромосома, и две части транслоцированной хромосомы остаются активными, вероятно, снова отражая отбор против клеток с неактивированными аутосомными генами. В несбалансированном потомстве сбалансированного носителя, тем не менее, присутствует только продукт транслокации, несущий центр Х-инактивации, и такая хромосома неизменно инактивируется; нормальная Х-хромосома всегда активна.

Эти неслучайные образцы инактивации имеют общий эффект снижения, хотя и не всегда устранения, клинических последствий конкретного хромосомного дефекта. Поскольку образцы Х-инактивации хорошо согласуются с клиническим результатом, определение цитогенетическим или молекулярным анализом индивидуального образца Х-инактивации показано во всех случаях транслокации X и аутосом.

Одна закономерность, иногда наблюдающаяся у сбалансированных носителей транслокаций Х-хромосомы на аутосому, проявляется тем, что сам разрыв может вызывать мутации, нарушая ген в точке транслокации. Единственная нормальная копия конкретного гена инактивируется в большинстве или всех клетках из-за неслучайной инактивации нормальной Х-хромосомы, таким образом приводя к экспрессии у женщины сцепленного с полом признака, обычно наблюдающегося только у гемизиготных мужчин.

Выявлено несколько Х-сцепленных генов , когда типичный фенотип сцепленного с полом состояния обнаруживали у женщин с доказанной транслокацией Х-хромосомы на аутосому. Главный клинический вывод из этой информации - если женщина проявляет сцепленный с полом фенотип, обнаруживаемый обычно только у мужчин, показан хромосомный анализ с высоким разрешением. Обнаружение сбалансированной транслокации может объяснить фенотипическую экспрессию и выявить вероятную позицию гена на карте Х-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. Murray Llewellyn Barr) доказали, что пол дифференцированных соматических клеток модельных объектов может быть определено путем подсчета структур в ядре, которым дали название тельца Барра.

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.

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

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.