Введение

Инактивация копий Х-хромосомы. На рисунке представлены изображения, полученные с помощью конфокальной микроскопии в ходе комбинированного РНК-ДНК FISH-анализа для Xist в клетках фибробластов взрослой мыши-самки, демонстрирующие, что РНК Xist покрывает только одну из Х-хромосом. Сигналы РНК-FISH от РНК Xist показаны красным цветом, обозначая неактивную Х-хромосому (Xi). Сигналы ДНК-FISH от локусов Xist показаны желтым цветом, обозначая как активные, так и неактивные Х-хромосомы (Xa, Xi). Ядро (окрашенное DAPI) показано синим цветом. Рисунок адаптирован из:. Внеэмбриональные ткани (которые дают начало плаценте и другим тканям, поддерживающим эмбрион) сохраняют эту раннюю импринтированную инактивацию, и, следовательно, только материнская Х-хромосома активна в этих тканях. В ранней бластоцисте эта первоначальная, импринтированная инактивация Х-хромосомы обращается в клетках внутренней клеточной массы (которые дают начало эмбриону), и в этих клетках обе Х-хромосомы вновь становятся активными. Каждая из этих клеток затем независимо и случайным образом инактивирует одну копию Х-хромосомы. |2–8 клеточная стадия |Неизвестно, происходит ли это у человека | |3 |Активация Х |Ранняя стадия бластоцисты |Ранняя стадия бластоцисты | |4 |Случайная инактивация Х в эмбриональном росте (внутренняя клеточная масса) |Поздняя стадия бластоцисты |Поздняя стадия бластоцисты, после имплантации |

Наследственность инактивации в клеточных поколениях

Потомки каждой клетки, инактивировавшей определенную Х-хромосому, также инактивируют именно эту хромосому. Это явление, которое можно наблюдать по окраске кошек с черепаховым окрасом, когда самки являются гетерозиготами по гену пигмента, сцепленному с Х-хромосомой, не следует путать с мозаицизмом, который обозначает различия в генотипе различных клеточных популяций в пределах одного организма. Инактивация Х-хромосомы, являясь эпигенетическим изменением, приводящим к изменению фенотипа, не представляет собой изменения на генотипическом уровне. Таким образом, для отдельной клетки или клеточной линии инактивация является смещенной или "не случайной", и это может вызывать легкие симптомы у женщин-носителей Х-сцепленных генетических заболеваний.

Выбор одной активной Х-хромосомы

Типичные женщины обладают двумя X-хромосомами, и в любой клетке одна хромосома будет активна (обозначается как Xa), а одна – неактивна (Xi). Однако исследования людей с дополнительными копиями X-хромосомы показывают, что в клетках с более чем двумя X-хромосомами все равно остается только одна Xa, а все остальные X-хромосомы инактивированы. Это указывает на то, что состояние по умолчанию для X-хромосомы у женщин – инактивация, но одна X-хромосома всегда отбирается для сохранения активности. Известно, что инактивация X-хромосомы – случайный процесс, происходящий примерно во время гаструляции в эпибласте (клетках, которые дадут начало эмбриону). Материнская и отцовская X-хромосомы имеют равную вероятность инактивации. Это наводит на мысль, что женщины должны страдать от X-сцепленных заболеваний примерно в 50% случаев по сравнению с мужчинами (поскольку у женщин две X-хромосомы, а у мужчин – только одна); однако на практике частота этих заболеваний у женщин значительно ниже. Одно из объяснений этого расхождения заключается в том, что 12–20% генов на инактивированной X-хромосоме остаются экспрессированными, обеспечивая женщинам дополнительную защиту от дефектных генов, закодированных X-хромосомой. Некоторые предполагают, что это расхождение должно свидетельствовать о преференциальной (неслучайной) инактивации. Преференциальная инактивация отцовской X-хромосомы наблюдается как у сумчатых, так и в клеточных линиях, формирующих мембраны, окружающие эмбрион, в то время как у плацентарных млекопитающих материнская или отцовская X-хромосома может быть инактивирована в разных клеточных линиях. Период инактивации X-хромосомы объясняет это расхождение. Инактивация происходит в эпибласте во время гаструляции, что приводит к формированию эмбриона. Инактивация происходит на клеточном уровне, что приводит к мозаичной экспрессии, при которой в одних участках клеток неактивна материнская X-хромосома, а в других – отцовская. Например, у женщины, гетерозиготной по гемофилии (X-сцепленное заболевание), примерно половина ее клеток печени будет функционировать нормально, чего обычно достаточно для обеспечения нормального свертывания крови. Случайность может привести к значительно большему количеству дисфункциональных клеток; однако такие статистические крайности маловероятны. Генетические различия на хромосомах также могут сделать одну X-хромосому более склонной к инактивации. Кроме того, если одна X-хромосома имеет мутацию, препятствующую ее росту или делающую ее нежизнеспособной, клетки, которые случайно инактивировали эту X-хромосому, будут иметь селективное преимущество перед клетками, которые случайно инактивировали нормальный аллель. Таким образом, хотя инактивация изначально случайна, клетки, которые инактивируют нормальный аллель (оставляя мутировавший аллель активным), в конечном итоге будут перерасти и заменены функционально нормальными клетками, в которых почти все имеют одну и ту же активированную X-хромосому. Модель постулирует наличие ограничивающего блокирующего фактора, поэтому, как только доступная молекула блокирующего фактора связывается с одной X-хромосомой, остальные X-хромосомы не защищены от инактивации. Эта модель подтверждается наличием одной Xa в клетках с множеством X-хромосом и наличием двух активных X-хромосом в клеточных линиях с вдвое большим, чем обычно, числом аутосом. Последовательности в центре инактивации X (XIC), присутствующие на X-хромосоме, контролируют подавление X-хромосомы. Предполагается, что гипотетический блокирующий фактор связывается с последовательностями внутри XIC.

Экспрессия Х-связанных нарушений у гетерозиготных самок

Эффект женской гетерозиготности по X-хромосоме проявляется в некоторых локализованных признаках, таких как уникальный окрас шерсти кошки-калико. Однако, бывает сложнее полностью понять экспрессию нелокализованных признаков у этих самок, например, проявление заболевания. Поскольку у самцов есть только одна копия X-хромосомы, все экспрессируемые гены X-хромосомы (или аллели, в случае наличия множественных вариантов гена в популяции) расположены на этой копии хромосомы. Самки же преимущественно экспрессируют гены или аллели, расположенные на активной копии X-хромосомы. Рассматривая ситуацию с одним или несколькими генами, вызывающими индивидуальные различия в конкретном фенотипе (то есть, обуславливающими наблюдаемую вариацию этого фенотипа в популяции), у гомозиготных самок не имеет значения, какая копия хромосомы инактивирована, поскольку аллели на обеих копиях идентичны. Однако, у самок, гетерозиготных по каузальным генам, инактивация одной копии хромосомы вместо другой может напрямую влиять на их фенотипическое значение. Вследствие этого явления наблюдается увеличение фенотипической вариации у гетерозиготных самок по вовлеченному гену или генам, по сравнению с гомозиготными самками или самками по этому гену или генам. Существует множество способов, которыми может проявляться фенотипическая вариация. Во многих случаях гетерозиготные самки могут быть бессимптомными или демонстрировать лишь незначительные симптомы заболевания, например, при X-сцепленной адренолейкодистрофии. Дифференциация фенотипа у гетерозиготных самок усиливается благодаря явлению перекоса инактивации X-хромосомы. Обычно каждая X-хромосома инактивируется в половине клеток, но этот процесс становится перекошенным при преимущественной инактивации одной из хромосом. Считается, что перекос происходит либо случайно, либо из-за физической характеристики хромосомы, которая может приводить к ее более или менее частой инактивации, например, вследствие неблагоприятной мутации. В среднем каждая X-хромосома инактивируется в половине клеток, хотя у 5–20% женщин наблюдается перекос инактивации X-хромосомы. Предполагается, что перекос инактивации X-хромосомы может быть вызван проблемами в механизме инактивации или проблемами в самой хромосоме.

Хромосомная составляющая

Центр инактивации Х-хромосомы (или просто XIC) на Х-хромосоме необходим и достаточен для осуществления инактивации Х-хромосомы. Хромосомные транслокации, перемещающие XIC на аутосому, приводят к инактивации этой аутосомы, а Х-хромосомы, лишенные XIC, не инактивируются. Неактивная Х-хромосома покрыта РНК Xist, в то время как Хa – нет (см. рисунок справа). Х-хромосомы, в которых отсутствует ген Xist, не могут быть инактивированы. Искусственное введение и экспрессия гена Xist на другой хромосоме приводит к сайленсингу этой хромосомы. До инактивации обе Х-хромосомы слабо экспрессируют РНК Xist из гена Xist. В процессе инактивации будущая Хa прекращает экспрессию Xist, а будущая Xi значительно увеличивает продукцию РНК Xist. На будущей Xi РНК Xist постепенно покрывает хромосому, распространяясь от XIC; Tsix является отрицательным регулятором Xist; Х-хромосомы, не экспрессирующие Tsix (и, следовательно, имеющие высокие уровни транскрипции Xist), инактивируются гораздо чаще, чем обычно. Как и Xist, до инактивации обе Х-хромосомы слабо экспрессируют РНК Tsix из гена Tsix. При начале инактивации Х-хромосомы будущая Xi прекращает экспрессию РНК Tsix (и увеличивает экспрессию Xist), в то время как Хa продолжает экспрессировать Tsix в течение нескольких дней. Rep A – это длинная некодирующая РНК, которая совместно с другой длинной некодирующей РНК, Xist, участвует в инактивации Х-хромосомы. Rep A ингибирует функцию Tsix, антисенса к Xist, одновременно подавляя экспрессию Xite. Она способствует метилированию области Tsix, привлекая PRC2 и тем самым инактивируя одну из Х-хромосом.

Заглушение

Неактивная Х-хромосома не экспрессирует большинство своих генов, в отличие от активной Х-хромосомы. Это обусловлено подавлением экспрессии Xi репрессивным гетерохроматином, который уплотняет ДНК Xi и предотвращает экспрессию большинства генов. По сравнению с Xa, Xi характеризуется высоким уровнем метилирования ДНК, низким уровнем ацетилирования гистонов, низким уровнем метилирования гистона H3 по лизину 4 и высоким уровнем метилирования гистона H3 по лизину 9, а также меткой метилирования H3 лизина 27, добавляемой комплексом PRC2, рекрутируемым Xist – все эти признаки связаны с подавлением генов. PRC2 регулирует уплотнение хроматина и ремоделирование хроматина в ряде процессов, включая ответ на повреждение ДНК. Кроме того, вариант гистона, называемый макроH2A (H2AFY), обнаруживается исключительно в нуклеосомах вдоль Xi.

Корпусы с бочками

ДНК, упакованная в гетерохроматин, например, хромосома Xi, более конденсирована, чем ДНК, упакованная в эвхроматин, например, хромосома Xa. Неактивная X-хромосома формирует отчетливое тело в ядре, называемое телом Барра. Тело Барра обычно располагается на периферии ядра, реплицируется на поздней стадии клеточного цикла и, поскольку содержит хромосому Xi, характеризуется модификациями гетерохроматина и РНК Xist.

Экспрессированные гены на неактивной Х-хромосоме

Часть генов, расположенных на X-хромосоме, избегает инактивации на Xi. Ген *Xist* экспрессируется на высоких уровнях на Xi и не экспрессируется на Xa. Многие другие гены также избегают инактивации; некоторые экспрессируются в равной степени с Xa и Xi, а другие, хотя и экспрессируются с обеих хромосом, всё же преимущественно экспрессируются с Xa. До четверти генов на человеческой Xi способны избегать инактивации. Это особенно актуально при синдроме Тернера (X0) или синдроме Клайнфельтера (XXY). Теоретически, инактивация X-хромосомы должна устранить различия в дозировке генов между пациентами и людьми с нормальным хромосомным набором. Однако у пациентов инактивация X-хромосомы неполная, и дозировка этих не замолкнувших генов будет отличаться, поскольку они избегают инактивации X, подобно аутосомной анеуплоидии. Точные механизмы, контролирующие избежание инактивации X, неизвестны, но было показано, что замолкнувшие и избегающие инактивации области имеют различные хроматиновые метки. Предполагается, что избежание инактивации X может быть опосредовано экспрессией длинных некодирующих РНК (lncRNA) в пределах избегающих инактивации хромосомных доменов.

Использование в экспериментальной биологии

Стэнли Майкл Гартлер использовал инактивацию Х-хромосомы, чтобы продемонстрировать клональное происхождение рака. Исследование нормальных тканей и опухолей у женщин, гетерозиготных по изоэнзимам G6PD, сцепленного с полом, показало, что опухолевые клетки у таких пациенток экспрессируют только одну форму G6PD, в то время как нормальные ткани состоят из примерно равной смеси клеток, экспрессирующих два различных фенотипа. Это указывает на то, что в рак развивается одна клетка, а не популяция клеток. Однако, для многих типов рака эта закономерность оказалась неверной, что позволяет предположить, что некоторые виды рака могут иметь поликлональное происхождение. Более того, измерение статуса метилирования (инактивации) полиморфного человеческого андрогенного рецептора (HUMARA), расположенного на Х-хромосоме, считается наиболее точным методом оценки клональности в биопсиях рака у женщин. С помощью этого метода было исследовано большое количество опухолей; некоторые, такие как почечноклеточная карцинома, оказались моноклональными, а другие (например, мезотелиома) – поликлональными. Исследователи также изучали возможность использования инактивации Х-хромосомы для подавления активности аутосомных хромосом. Например, Jiang и соавторы вставили копию гена *Xist* в одну копию хромосомы 21 в стволовых клетках, полученных от человека с трисомией 21 (синдром Дауна). Вставленный ген *Xist* индуцирует образование тельца Барра, запускает стабильные модификации гетерохроматина и подавляет большинство генов на дополнительной копии хромосомы 21. В этих модифицированных стволовых клетках *Xist*-опосредованное подавление генов, по-видимому, обращает вспять некоторые дефекты, связанные с синдромом Дауна.

История

В 1959 году Сусуму Оно показал, что две Х-хромосомы млекопитающих различаются: одна была похожа на аутосомы, а другая – конденсирована и гетерохроматична. Это открытие независимо друг от друга привело две группы исследователей к предположению, что одна из Х-хромосом подвергается инактивации. В 1961 году Мэри Лайон предложила гипотезу о случайной инактивации одной Х-хромосомы у самок, чтобы объяснить пеструю окраску шерсти у самок мышей, гетерозиготных по генам, определяющим цвет шерсти. Гипотеза Лайона также объясняла данные о том, что одна копия Х-хромосомы в женских клетках сильно конденсирована, и что мыши с единственной Х-хромосомой развиваются как бесплодные самки. Это навело Эрнеста Бёйлера, изучавшего самок-гетерозигот с дефицитом глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы (G6PD), на мысль, что у таких гетерозигот существуют две популяции эритроцитов: клетки с дефицитом и нормальные клетки, в зависимости от того, содержит ли инактивированная Х-хромосома (в ядре клетки-предшественника эритроцита) нормальный или дефектный аллель G6PD.