Инактивация Х-хромосомы

Черепаховая окраска самок кошек является видимым примером инактивации Х-хромосомы. Черный и оранжевый аллели гена окраски меха располагаются на Х-хромосоме. Окраска конкретного участка меха определяется тем, какой из аллелей гена активен в данном участке.

Ядро клетки самки. Наверху: при помощи FISH определяются обе Х-хромосомы. Внизу: окрашивание ДНК (DAPI). Тельце Барра (инактивированная Х-хромосома) показано стрелкой.

Интерфазный фибробласт женщины.^[1] Слева: окраска ядра DAPI. Справа: окраска на гистоны. Стрелки указывают на тельца Барра.

Инактивация Х-хромосомы (англ. X-inactivation, lyonization) — процесс, в ходе которого инактивируется одна из двух копий Х-хромосом, представленных в клетках самок млекопитающих. ДНК неактивной Х-хромосомы упаковывается в транскрипционно неактивный гетерохроматин.

Инактивация Х-хромосомы происходит в клетках самок млекопитающих для того, чтобы с двух копий Х-хромосом не образовывалось вдвое больше продуктов соответствующих генов, чем у самцов млекопитающих. Такой процесс называется дозовой компенсацией генов. У плацентарных выбор Х-хромосомы, которая будет инактивирована, случаен (что показано для клеток мышей и человека). Инактивированная Х-хромосома будет оставаться неактивной во всех последующих дочерних клетках, образующихся в результате деления.

История

В 1959 году Сусуму Оно (англ. Susumu Ohno) показал, что одна из двух Х-хромосом у самок вела себя как аутосома, а другая находилась в состоянии гетерохроматина.^[2] Двумя группами исследователей независимо друг от друга было предположено, что одна из двух Х-хромосом подвергается инактивации. В 1961 году Мэри Лайон (англ. Mary F. Lyon) предположила, что инактивация одной из Х-хромосом у самок обуславливает пятнистую окраску шерсти мышей у особей, гетерозиготных по генам окраски.^[3] Гипотеза Лайон предполагала также, что одна копия Х-хромосомы в клетках млекопитающих женского пола подвергается конденсации объясняла тот факт, что мыши лишь с одной Х-хромосомой имели фенотип самки. Эрнест Бейтлер (англ. Ernest Beutler), изучая гетерозиготных самок, дефицитных по ферменту дегидрогеназе глюкозо-6-фосфатазы, независимо от Лайон, предположил существование у гетерозиготных организмов двух типов эритроцитов -- дефицитных по ферменту и нормальных.^[4]

Механизм

На стадии двух или четырехклеточного зародыша мыши происходит инактивация отцовской Х-хромосомы по механизму импринтинга.^[5][6][7] На стадии ранней бластоцисты в клетках внутренней клеточной массы становятся активными обе Х-хромосомы. Во всех клетках, образующихся из бластоцисты затем необратимо и независимо друг от друга инактивируется одна из Х-хромосом. Инактивированная на этой ранней стадии развития зародыша, Х-хромосома затем будет инактивирована во всех потомках этой клетки. Инактивация Х-хросомомы снимается в клетках зародышевого пути самки и поэтому все ооциты содержат обе активные Х-хромосомы.

Показано, что нормальным состоянием для Х-хромосомы в клетках млекопитающих, является инактивированное состояние, так как в организмах или клетках, содержащих более, чем две Х-хромосомы, активной является лишь одна, в то время как остальные Х-хромосомы неактивны. Показано наличие на Х-хромосомах участка центар инактивации Х-хромосомы — XIC (от англ. X inactivation center). Наличие центра инактивации необходимо и достаточно для инактивации Х-хромосомы. Транслокация участка хромосомы, содержащего XIC на аутосому, приводит к инактивации соответствующей аутосомы, в то время как Х-хромосомы, не имеющие XIC, остаются активными.

Участок XIC содержит два гена некодирующих РНК, которые в клетке не подвергаются трансляции -- Xist и Tsix, принимающие участие в инактивации Х-хромосомы. Также XIC содержит сайты связывания соответствующих регуляторных белков.

Некодирующие РНК Xist и Tsix

Основная статья: Xist

Основная статья: Tsix

Xist представляет собой ген, кодирующий молекулу длинной некодирующей РНК, который опосредует специфическую инактивацию той Х-хромосомы, с которой он был транскрибирован.^[8] Неактивная Х-хромосома покрыта РНК, транскрибированной с гена Xist,^[9] неинактивированная Х-хромосома такой РНК не покрыта. Ген Xist экспрессируется только с неактивной Х-хромосомы, хромосомы, не содержащие ген Xist, не могут быть инактивированы.^[10] Искусственное перемещение гена Xist на другие хромосомы и его экспрессия, приводит к инактивации других хромосом.^[11][12]

До момента инактивации обе Х-хромосомы слабо экспрессируют РНКовый продукт гена Xist, в ходе процесса инактивации экспрессия Xist на неинактивированной хромосоме снижается, а на инактивированной—увеличивается. Продукт гена Xist постепенно покрывает инактивированную хромосому, начиная от участка XIC;^[11] Сайленсинг генов инактивированной хромосомы начинается вскоре после того, как хромосома становится покрытой транскриптом гена Xist.

Tsix представляет собой длинную молекулу РНК, не кодирующую белок. Транскрипт Tsix является антисмысловым к транскрипту гена Xist, то есть транскрибируется с противоположной цепи ДНК того же гена.^[13] Tsix является негативным регулятором Xist; X-хромосомы, не экспрессирующие Tsix и имеющие поэтому повышенный уровень экспрессии Xist, инактивированы намного чаще, чем обычные хромосомы.

Как и в случае с геном Xist, перед инактивацией обе Х-хромосомы слабо экспрессируют РНК гена Tsix с соответствующего гена. После начала инактивации Х-хромосомы будущая инактивированная хромосома прекращает экспрессировать РНК Tsix, в то время как активная хромосома продолжает экспрессировать Tsix еще несколько дней.

Тельце Барра

Основная статья: Тельце Барра

Тельцем Барра называют Х-хромосому, ДНК которой находится в состоянии гетерохроматина.^[14] Тельце Барра содержит продукт гена Xist, обычно располагается на периферии ядра, ДНК тельца Барра поздно реплицируется.

Примечания

1. ↑ Gartler SM, Varadarajan KR, Luo P, Canfield TK, Traynor J, Francke U, Hansen RS (2004). «Normal histone modifications on the inactive X chromosome in ICF and Rett syndrome cells: implications for methyl-CpG binding proteins». BMC Biology 2: 21. DOI:10.1186/1741-7007-2-21. — Figure 1
2. ↑ Ohno S, Kaplan WD, Kinosita R (1959). «Formation of the sex chromatin by a single X-chromosome in liver cells of rattus norvegicus.». Exp Cell Res 18: 415–9. DOI:10.1016/0014-4827(59)90031-X. PMID 14428474.
3. ↑ Lyon MF (1961). «Gene Action in the X-chromosome of the Mouse (Mus musculus L.)» (abstract). Nature 190 (4773): 372–3. DOI:10.1038/190372a0. PMID 13764598.
4. ↑ Beutler E, Yeh M, Fairbanks VF (January 1962). «The normal human female as a mosaic of X-chromosome activity: Studies using the gene for G-6-PD-deficiency as a marker». Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 48: 9–16. PMID 13868717.
5. ↑ Takagi N, Sasaki M (1975). «Preferential inactivation of the paternally derived X chromosome in the extraembryonic membranes of the mouse». Nature 256: 640–2. DOI:10.1038/256640a0. PMID 1152998.
6. ↑ Cheng MK, Disteche CM (2004). «Silence of the fathers: early X inactivation». BioEssays 26 (8): 821–4. DOI:10.1002/bies.20082. PMID 15273983.
7. ↑ Okamoto I, Otte A, Allis C, Reinberg D, Heard E (2004). «Epigenetic dynamics of imprinted X inactivation during early mouse development». Science 303 (5658): 644–9. DOI:10.1126/science.1092727. PMID 14671313.
8. ↑ Hoki Y, Kimura N, Kanbayashi M, Amakawa Y, Ohhata T, Sasaki H, Sado T (2009). «A proximal conserved repeat in the Xist gene is essential as a genomic element for X-inactivation in mouse.» (abstract). Development 136: 139–46. DOI:10.1242/dev.026427. PMID 19036803.
9. ↑ Ng K, Pullirsch D, Leeb M, Wutz A (2007). «Xist and the order of silencing» (Review Article). EMBO Rep 8: 34–9. DOI:10.1038/sj.embor.7400871. PMID 17203100. “Figure 1 Xist RNA encompasses the X from which it is transcribed.”
10. ↑ Penny GD, Kay GF, Sheardown SA, Rastan S, Brockdorff N (1996). «Requirement for Xist in X chromosome inactivation». Nature 379: 116–7. DOI:10.1038/379131a0. PMID 8538762. Проверено 2009-03-19.
11. ↑ ^{1 2} Herzing LB, Romer JT, Horn JM, Ashworth A (1997). «Xist has properties of the X-chromosome inactivation centre». Nature 386: 272–5. DOI:10.1038/386272a0. PMID 9069284. Проверено 2009-03-19.
12. ↑ Lee JT, Jaenisch R (1997). «Long-range cis effects of ectopic X-inactivation centres on a mouse autosome». Nature 386: 275–9. DOI:10.1038/386275a0. PMID 9069285. Проверено 2009-03-19.
13. ↑ Lee JT, Davidow LS, Warshawsky D (1999). «Tisx, a gene antisense to Xist at the X-inactivation centre». Nat Genet 21: 400–4. DOI:10.1038/7734.
14. ↑ Barr ML, Bertram EG (1949). «A Morphological Distinction between Neurones of the Male and Female, and the Behaviour of the Nucleolar Satellite during Accelerated Nucleoprotein Synthesis». Nature 163 (4148): 676–7. DOI:10.1038/163676a0.

Литература

• Huynh KD, Lee JT (2005). «X-chromosome inactivation: a hypothesis linking ontogeny and phylogeny». Nature Rev Genet 9 (5): 41–8. DOI:10.1038/nrg1604. PMID 15818384.
• X-inactivation as a possible cause for autoimmunity
• Goto T, Monk M (1 June 1998). «Regulation of X-chromosome inactivation in development in mice and humans» (Review Article). Microbiol Mol Biol Rev 62 (2): 362–78. PMID 9618446. Проверено 2009-03-18.
• Lyon M (2003). «The Lyon and the LINE hypothesis» (Review Article). Semin Cell Dev Biol 14 (6): 313–8. DOI:10.1016/j.semcdb.2003.09.015. PMID 15015738.
• Ng K, Pullirsch D, Leeb M, Wutz A (2007). «Xist and the order of silencing» (Review Article). EMBO Rep 8: 34–9. DOI:10.1038/sj.embor.7400871. PMID 17203100.