Х-хромосомасының белсенділігін жоғалтуы және гендік экспрессиядағы рөлі

Кіріспе

X хромосомасының көшірмелерінің белсенділігінің төмендеуі.

Суретте ересек аналық егешкінің фибробласт жасушаларында Xist үшін жасалған РНА ДНК FISH тәжірибесінен алынған конфокальды микроскопия суреттері көрсетілген, бұл Xist РНК-сының X хромосомаларының біреуін ғана жауып тұрғанын көрсетеді. Xist РНК-сынан алынған РНК FISH сигналдары қызыл түсте көрсетілген, бұл белсенді емес X хромосомасын (Xi) белгілейді. Xist локустарынан алынған ДНК FISH сигналдары сары түсте көрсетілген, бұл белсенді және белсенді емес X хромосомаларын (Xa, Xi) белгілейді. Ядро (DAPI бояуымен боялған) көк түсте көрсетілген. Суреттегі сурет: Экстраэмбриональды тіндер (плацента мен эмбрионды қолдаушы басқа тіндерді құрайды) осы ерте импринтингтік инактивацияны сақтайды, сондықтан бұл тіндерде тек аналық X хромосомасы ғана белсенді болады. Ерте бластоцисте бұл бастапқы, импринтингтік X инактивациясы ішкі жасуша массасының жасушаларында (эмбрионды құрайды) кері қайтарылады, және бұл жасушаларда екі X хромосомасы да қайтадан белсенді болады. Осы жасушалардың әрқайсысы X хромосомасының бір көшірмесін тәуелсіз және кездейсоқ түрде белсенділігін төмендетеді. 2–8 жасушалық саты. Адамдарда болатыны белгісіз. 3 X хромосомасының белсенділігі. Ерте бластоцист сатысы. Ерте бластоцист сатысы. 4 Эмбриональды тектің кездейсоқ X инактивациясы (ішкі жасуша массасы). Кеш бластоцист сатысы. Кеш бластоцист сатысы, имплантациядан кейін.

Жасуша ұрпақтары арасында иактивация күйінің мұралануы

Әрбір белгілі бір Х хромосомасын инактивациялаған жасушаның ұрпақтары да сол хромосоманы инактивациялайды. Бұл құбылысты, әйелдер Х-пен байланысты пигмент гені бойынша гетерозигот болған кезде, қайың мысықтардың түсінде байқауға болады. Бұл мозаицизммен шатастырылмауы керек, себебі мозаицизм дегеніміз – бір организмдегі әртүрлі жасуша популяцияларының генотипіндегі айырмашылықты нақты білдіретін термин. Х хромосомасының инактивациясы – бұл фенотиптік өзгеріске алып келетін эпигенетикалық өзгеріс, ол генотиптік деңгейдегі өзгеріс емес. Сондықтан, жеке жасуша немесе жасушалар тізбегі үшін инактивация бұрыс немесе "рандомды емес" болып табылады, және бұл Х-пен байланысты генетикалық аурулардың әйел "тасымалдаушыларында" жеңіл симптомдарға себеп болуы мүмкін.

Бір белсенді Х хромосомасының іріктелуі

Әйелдерде әдетте екі Х хромосомасы болады, ал әрбір жасушада бір хромосома белсенді (Xa) және бір хромосома белсенді емес (Xi) күйде болады. Дегенмен, Х хромосомасының қосымша көшірмелері бар адамдардағы зерттеулер көрсеткендей, екіден астам Х хромосомасы бар жасушаларда тек бір ғана Xa хромосомасы белсенді болады, ал қалған Х хромосомаларының барлығы белсенді емес күйде болады. Бұл әйелдердегі Х хромосомасының бастапқы күйі – белсенділіксіздік екенін, бірақ бір Х хромосомасы әрқашан белсенді болып қалатынын көрсетеді. Х хромосомасының белсенділігі төмендеуі эпибласта (эмбрионға дамуға тиіс жасушалар) гаструляция кезінде кездейсоқ процесс ретінде жүзеге асады. Аналық және аталық Х хромосомаларының белсенділіксіздену ықтималдығы тең. Бұл әйелдердің Х-пен байланысты ауруларға ерлерге қарағанда шамамен 50% жиі шалдығуын күтуге болады (әйелдерде екі Х хромосомасы бар, ал ерлерде тек біреуі болғандықтан); алайда, шындығында, әйелдерде осы аурулардың пайда болу жиілігі одан әлдеқайда төмен. Бұл айырмашылықтың бір түсіндірмесі – белсенді емес Х хромосомадағы гендердің 12–20% экспрессиялана береді, осылайша әйелдерге Х хромосомасы кодтайтын кемістікті гендерден қосымша қорғаныс береді. Кейбіреулер бұл айырмашылық артықшылықты (кездейсоқ емес) белсенділіксізденудің нәтижесі болуы керек деп санайды. Аталық Х хромосомасының артықшылықты белсенділіксізденуі бауқұйрықтарда да, эмбрионды қоршап тұратын қабықшаларды құрайтын жасушалық желілерде де кездеседі, ал плаценталық сүтқоректілерде аналық немесе аталық Х хромосомасы әртүрлі жасушалық желілерде белсенділіксізденуі мүмкін. Х хромосомасының белсенділіксіздену уақыты осы айырмашылықты түсіндіреді. Белсенділіксіздену гаструляция кезінде эпибласта жүзеге асады, ол эмбрионның пайда болуына әкеледі. Белсенділіксіздену жасушалық деңгейде жүреді, нәтижесінде мозаикалық экспрессия пайда болады, онда жасушалардың бір бөлігінде аналық Х хромосомасы белсенді емес, ал екінші бөлігінде – аталық Х хромосомасы белсенді емес болады. Мысалы, гемофилияға (Х-пен байланысты ауру) шалдыққан гетерозиготалық әйелдің бауыр жасушаларының шамамен жартысы қалыпты жұмыс істейді, бұл әдетте қалыпты қан ұюын қамтамасыз етуге жеткілікті. Кездейсоқ жағдайдың нәтижесінде бұзылған жасушалардың саны айтарлықтай артуы мүмкін, алайда мұндай статистикалық шектен шығу жағдайларының пайда болуы ықтимал емес. Хромосомадағы генетикалық айырмашылықтар бір Х хромосомасының белсенділіксізденуге бейімділігін арттыруы мүмкін. Сонымен қатар, егер бір Х хромосомасында оның өсуін тежейтін немесе оны тірі қалуға жарамсыз ететін мутация болса, сол Х хромосомасын кездейсоқ белсенділіксіздендірген жасушалар қалыпты аллельді кездейсоқ белсенділіксіздендірген жасушаларға қарағанда селективті артықшылыққа ие болады. Осылайша, белсенділіксіздену бастапқыда кездейсоқ болғанымен, қалыпты аллельді белсенділіксіз қалдыратын (мутацияланған аллельді белсенді қалдыратын) жасушалар ақырында өсіп, олардың орнына функционалдық қалыпты жасушалар пайда болады, олардың барлығы дерлік бірдей Х хромосомасы белсенді болады. Модельде шектеуші блоктау факторы бар деп болжанады, сондықтан қол жетімді блоктау факторы молекуласы бір Х хромосомасына байланысса, қалған Х хромосомалары белсенділіксізденуден қорғалмайды. Бұл модель көптеген Х хромосомалары бар жасушаларда бір ғана Xa-ның болуымен және автосомалардың қалыпты санынан екі есе көп жасушалық желілерде екі белсенді Х хромосомасының болуымен расталады. Х хромосомасында орналасқан Х белсенділіксіздену орталығының (XIC) тізбектері Х хромосомасының үндеуін басқарады. Гипотетикалық блоктаушы фактор XIC ішіндегі тізбектерге байланысады деп болжанады.

Typical females possess two X chromosomes, and in any given cell one chromosome will be active (designated as Xa) and one will be inactive (Xi). However, studies of individuals with extra copies of the X chromosome show that in cells with more than two X chromosomes there is still only one Xa, and all the remaining X chromosomes are inactivated. This indicates that the default state of the X chromosome in females is inactivation, but one X chromosome is always selected to remain active. It is understood that X chromosome inactivation is a random process, occurring at about the time of gastrulation in the epiblast (cells that will give rise to the embryo). The maternal and paternal X chromosomes have an equal probability of inactivation. This would suggest that women would be expected to suffer from X linked disorders approximately 50% as often as men (because women have two X chromosomes, while men have only one); however, in actuality, the occurrence of these disorders in females is much lower than that. One explanation for this disparity is that 12–20% of genes on the inactivated X chromosome remain expressed, thus providing women with added protection against defective genes coded by the X chromosome. Some suggest that this disparity must be evidence of preferential (non random) inactivation. Preferential inactivation of the paternal X chromosome occurs in both marsupials and in cell lineages that form the membranes surrounding the embryo, whereas in placental mammals either the maternally or the paternally derived X chromosome may be inactivated in different cell lines. The time period for X chromosome inactivation explains this disparity. Inactivation occurs in the epiblast during gastrulation, which gives rise to the embryo. Inactivation occurs on a cellular level, resulting in a mosaic expression, in which patches of cells have an inactive maternal X chromosome, while other patches have an inactive paternal X chromosome. For example, a female heterozygous for haemophilia (an X linked disease) would have about half of her liver cells functioning properly, which is typically enough to ensure normal blood clotting. Chance could result in significantly more dysfunctional cells; however, such statistical extremes are unlikely. Genetic differences on the chromosome may also render one X chromosome more likely to undergo inactivation. Also, if one X chromosome has a mutation hindering its growth or rendering it non viable, cells which randomly inactivated that X will have a selective advantage over cells which randomly inactivated the normal allele. Thus, although inactivation is initially random, cells that inactivate a normal allele (leaving the mutated allele active) will eventually be overgrown and replaced by functionally normal cells in which nearly all have the same X chromosome activated. The model postulates that there is a limiting blocking factor, so once the available blocking factor molecule binds to one X chromosome the remaining X chromosome(s) are not protected from inactivation. This model is supported by the existence of a single Xa in cells with many X chromosomes and by the existence of two active X chromosomes in cell lines with twice the normal number of autosomes. Sequences at the X inactivation center (XIC), present on the X chromosome, control the silencing of the X chromosome. The hypothetical blocking factor is predicted to bind to sequences within the XIC.

Хетерозиготалық әйелдерде Х- байланысы бар бұзылулардың көрінісі

Әйелдердегі Х-гетерозигоздығының әсері кейбір локальдік белгілерде, мысалы, калико мысығының ерекше түс үлгісінде көрінеді. Дегенмен, осы әйелдерде аурудың көрінісі сияқты локальдік емес белгілердің экспрессиясын толық түсіну қиын болуы мүмкін. Ер адамдарда Х хромосомасының тек бір ғана көшірмесі болғандықтан, экспрессияланатын барлық Х хромосомалық гендер (немесе популяциядағы берілген геннің әртүрлі варианттары болған жағдайда аллельдер) осы хромосоманың көшірмесінде орналасқан. Әйелдерде болса, негізінен белсенді қалған Х хромосомалық көшірмедегі гендер немесе аллельдер экспрессияланады. Бір ген немесе белгілі бір фенотиптегі жеке айырмашылықтарға себеп болатын бірнеше гендерді қарастыратын болсақ (яғни, осы фенотип бойынша популяцияда байқалатын өзгеріске себеп болатын), гомозиготалық әйелдерде хромосоманың қай көшірмесі инактивацияланғаны маңызды емес, себебі екі көшірмедегі аллельдер де бірдей. Алайда, себепші гендерде гетерозиготалық әйелдерде хромосоманың бір көшірмесінің екіншісінен инактивациялануы олардың фенотиптік мәніне тікелей әсер етуі мүмкін. Осы құбылыстың нәтижесінде, осы генде немесе гендерде гомозиготалық әйелдерге қарағанда, гетерозиготалық әйелдерде фенотиптік вариацияның жоғарылауы байқалады. Фенотиптік вариацияның көптеген жолдары болуы мүмкін. Көп жағдайда гетерозиготалық әйелдерде симптомдар болмауы немесе X-ге байланысты адренолейкодистрофия сияқты аурудың жеңіл белгілері ғана байқалуы мүмкін. Гетерозиготалық әйелдердегі фенотиптің айырмашылығын X-инактивациясының бұрылысы (skewing) одан әрі күшейтеді. Әдетте, әрбір Х хромосомасы жасушалардың жартысында белсенділігінен айырылады, бірақ хромосоманың басым инактивациялануы болғанда бұл процесс бұрмаланады. Бұрылыс кездейсоқ немесе хромосоманың физикалық қасиеттерінен туындауы мүмкін, мысалы, қолайсыз мутация оны жиі немесе сирек инактивациялауға себеп болуы мүмкін. Орташа есеп бойынша, әрбір Х хромосомасы жасушалардың жартысында инактивацияланады, бірақ әйелдердің 5-20%-ында Х-инактивациясының бұрылысы байқалады. X-инактивациясының бұрылысы инактивацияға себеп болатын механизмдегі немесе хромосоманың өзіндегі мәселелерден туындауы мүмкін.

The effect of female X heterozygosity is apparent in some localized traits, such as the unique coat pattern of a calico cat. It can be more difficult, however, to fully understand the expression of un localized traits in these females, such as the expression of disease. Since males only have one copy of the X chromosome, all expressed X chromosomal genes (or alleles, in the case of multiple variant forms for a given gene in the population) are located on that copy of the chromosome. Females, however, will primarily express the genes or alleles located on the X chromosomal copy that remains active. Considering the situation for one gene or multiple genes causing individual differences in a particular phenotype (i. e., causing variation observed in the population for that phenotype), in homozygous females it does not particularly matter which copy of the chromosome is inactivated, as the alleles on both copies are the same. However, in females that are heterozygous at the causal genes, the inactivation of one copy of the chromosome over the other can have a direct impact on their phenotypic value. Because of this phenomenon, there is an observed increase in phenotypic variation in females that are heterozygous at the involved gene or genes than in females that are homozygous at that gene or those genes. There are many different ways in which the phenotypic variation can play out. In many cases, heterozygous females may be asymptomatic or only present minor symptoms of a given disorder, such as with X linked adrenoleukodystrophy. The differentiation of phenotype in heterozygous females is furthered by the presence of X inactivation skewing. Typically, each X chromosome is silenced in half of the cells, but this process is skewed when preferential inactivation of a chromosome occurs. It is thought that skewing happens either by chance or by a physical characteristic of a chromosome that may cause it to be silenced more or less often, such as an unfavorable mutation. On average, each X chromosome is inactivated in half of the cells, although 5 20% of women display X inactivation skewing. It is thought that X inactivation skewing could be caused by issues in the mechanism that causes inactivation, or by issues in the chromosome itself.

Хромосомалық компонент

Х-инактивация орталығы (немесе жай ғана ХИЦ) Х-хромосомада Х-инактивациясын тудыру үшін қажетті және жеткілікті. Хромосомалық транслокациялар ХИЦ-ті автосомаға орналастырса, онда автосома инактивацияланады, ал ХИЦ-сіз Х хромосомалары инактивацияланбайды. Инактивацияланған Х хромосомасы Xist РНК-мен қапталған, ал Xa қапталмайды (оң жақтағы суретті қараңыз). Xist гені жоқ Х хромосомаларын инактивациялау мүмкін емес. Xist генін басқа хромосомаға жасанды түрде орналастырып, экспрессиялау осы хромосоманың үнсізденуіне әкеледі. Инактивацияға дейін екі Х хромосома да Xist генінен Xist РНК-ны әлсіз экспрессиялайды. Инактивация процесінде болашақ Xa Xist экспрессиясын тоқтатады, ал болашақ Xi Xist РНК өндірісін күрт арттырады. Болашақ Xi-де Xist РНК хромосоманы XIC-тен таралып, біртіндеп жамылып тұрады; Tsix – Xist-тің теріс реттеушісі; Tsix экспрессиясы жоқ Х хромосомалары (демек, Xist транскрипциясының жоғары деңгейі бар) қалыпты хромосомаларға қарағанда әлдеқайда жиі инактивацияланады. Xist сияқты, инактивацияға дейін екі Х хромосома да Tsix генінен Tsix РНК-ны әлсіз экспрессиялайды. X инактивациясы басталғанда, болашақ Xi Tsix РНК экспрессиясын тоқтатады (және Xist экспрессиясын арттырады), ал Xa бірнеше күн бойы Tsix экспрессиясын жалғастырады. Rep A – ұзақ кодтамайтын РНК, ол X инактивациясы үшін Xist сияқты тағы бір ұзақ кодтамайтын РНК-мен бірге жұмыс істейді. Rep A, Xist-тің антисенсі болып табылатын Tsix функциясын тежейді және Xite экспрессиясын жояды. Ол PRC2-ні тартып, Tsix аймағының метилирленуін ынталандырады, осылайша Х хромосомаларының бірін инактивациялайды.

Тыныштандыру

Белсенді X хромосомадан өзгеше, белсенді емес X хромосома өз гендерінің көп бөлігін экспресс етпейді. Бұл, Xi ДНК-ны ықшамдап, көптеген гендердің экспрессиясын болдырмайтын репрессивті гетерохроматин арқылы Xi-ның үнсіздігіне байланысты. Xa-мен салыстырғанда, Xi-де ДНК метилирленуінің жоғары деңгейі, гистон ацетилирленуінің төмен деңгейі, гистон H3 лизин 4 метилирленуінің төмен деңгейі, гистон H3 лизин 9 метилирленуінің және H3 лизин 27 метилирлену белгісінің жоғары деңгейі байқалады, бәрі де генді үнсіздендірумен байланысты. PRC2 хроматинның ықшамдалуын және хроматинның қайта құрылуын бірнеше процестерде, соның ішінде ДНК зақымдану жауабында реттейді. Қосымша, макроH2A (H2AFY) деп аталатын гистонның бір түрі тек Xi бойындағы нуклеосомаларда ғана табылады.

Құрамында бар

Гетерохроматинге жиналған ДНК, мысалы, Xi хромосомасы, эухроматинге жиналған ДНК-ға, мысалы, Xa хромосомасына қарағанда, көбірек тығыздалған. Белсенді емес Х хромосомасы ядро ішінде Барр денесі деп аталатын жекеленген құрылымды құрайды. Барр денесі әдетте ядроның шетінде орналасқан, жасуша циклінде кеш көбейеді және Xi хромосомасын қамтығандықтан, гетерохроматин модификациялары мен Xist РНК-ны қамтиды.

Белсенді емес Х хромосомадағы экспрессияланған гендер

X хромосомасының бір бөлігі Xi хромосомасында инактивациядан қашады. Xist гені Xi хромосомасында жоғары деңгейде экспрессияланады, ал Xa хромосомасында экспрессияланбайды. Көптеген басқа гендер де инактивациядан қашады; кейбіреулері Xa және Xi хромосомаларынан теңдей экспрессияланады, ал басқалары екі хромосомадан да экспрессияланса да, көбінесе Xa хромосомасынан экспрессияланады. Адамның Xi хромосомасындағы гендердің шамамен төрттен бірі инактивациядан қашуға қабілетті.) немесе Клайнфелтер синдромы (XXY). Теориялық тұрғыдан алғанда, X инактивациясы зардап шеккен адамдар мен қалыпты хромосомалық жиынтығы бар адамдар арасындағы гендік дозадағы айырмашылықты жоюға тиіс. Бірақ, зардап шеккен адамдарда X инактивациясы толық емес, сондықтан осы үнсізденбеген гендердің дозасы X инактивациясынан қашу арқылы өзгереді, бұл автосомалық анеуплоидияға ұқсас. X инактивациясынан қашуды басқаратын нақты механизмдер белгісіз, бірақ үнсіздендірілген және қашатын аймақтардың хроматин маркерлері әртүрлі екені көрсетілген. X инактивациясынан қашудың қашу хромосомалық домендеріндегі ұзын кодтамайтын РНК (lncRNA) экспрессиясы арқылы жүзеге асырылуы мүмкін деген болжам бар.

Эксперименталды биологияда қолдану

Стэнли Майкл Гартлер X хромосомасының инактивациясын пайдаланып, қатерлі ісіктердің клоналды тегін көрсетті. Жынысқа байланысты G6PD генінің изоэнзимдері бойынша гетерозиготалық әйелдердің қалыпты тіндері мен ісіктерін зерттеу, мұндай адамдардың ісік жасушалары G6PD-нің тек бір түрін ғана экспрессиялайтынын, ал қалыпты тіндер екі түрлі фенотипті экспрессиялайтын жасушалардың шамамен тең қоспасынан тұратынын көрсетті. Бұл үлгі бір жасушаның, емес, жасушалар популяциясының қатерлі ісікке айналатынын ұсынады. Алайда, бұл үлгі көптеген қатерлі ісік түрлері үшін бұрыс екені дәлелденді, бұл кейбір қатерлі ісіктердің тегі поликлоналды болуы мүмкін екенін көрсетеді. Сонымен қатар, X хромосомасында орналасқан адам андроген рецепторының (HUMARA) метилирлену (инактивация) статусын өлшеу, әйелдердегі қатерлі ісік биопсиясында клоналдылықты бағалаудың ең дәл әдісі саналады. Бұл әдіспен көптеген ісіктер тексерілді, мысалы, бүйрек клеткалық карциномасы моноклоналды болып табылды, ал басқалары (мысалы, мезотелиома) поликлоналды деп хабарланды. Зерттеушілер сонымен қатар автосомалық хромосомалардың белсенділігін тоқтату үшін X хромосомасының инактивациясын пайдалануды зерттеді. Мысалы, Jiang және авторлар Xist генінің бір көшірмесін 21 трисомиясы (Даун синдромы) бар адамнан алынған түбірлі жасушалардағы 21-ші хромосоманың бір көшірмесіне енгізді. Енгізілген Xist гені Барр денесінің қалыптасуын тудырады, тұрақты гетерохроматин өзгерістерін қозғайды және 21-ші хромосоманың қосымша көшірмесіндегі гендердің көпшілігін өшіреді. Осы өзгертілген түбірлі жасушаларда Xist-тің гендік үнсіздігі Даун синдромымен байланысты кейбір кемшіліктерді жояған сияқты көрінеді.

Тарих

1959 жылы Сусуму Оно сүтқоректілердің екі Х хромосомасының әртүрлі екенін көрсетті: біреуі автосомаларға ұқсас болды, ал екіншісі тығыздалып, гетерохроматикалық күйге келді. Бұл жағдай екі тәуелсіз зерттеу тобына Х хромосомаларының біреуінің белсенділігін жойғанын ұсынды. 1961 жылы Мэри Лион түк түсі гендері бойынша гетерозиготалық әйел тышқандардың дақтанған фенотипін түсіндіру үшін бір әйел Х хромосомасының кездейсоқ инактивациялануын ұсынды. Лион гипотезасы сондай-ақ әйел жасушаларындағы Х хромосомасының бір данасының жоғары деңгейде тығыздалғанын және Х хромосомасының тек бір данасы бар тышқандардың мүсіркеусіз әйелдерге айналатынын түсіндірді. Бұл глюкоза-6-фосфат дегидрогеназасы (G6PD) жетіспеушілігіне байланысты гетерозиготалық әйелдерді зерттеген Эрнест Бейтлерге осындай гетерозиготаларда эритроциттердің екі түрлі популяциясы бар екенін ұсынды: жетіспеушілікпен шақырған жасушалар және қалыпты жасушалар, бұл белсенділігі жойылған Х хромосомасы (қызыл жасушаның алғашқы жасушасының ядросында) қалыпты немесе бұзылған G6PD аллелін қамтиды ма, жоқ па, соған байланысты.