Інактивація X-хромосоми

Відкриттю інактивації X-хромосоми Мері Лайон у 1961 році передувала серія відкриттів у цитогенетиці.

Роботи Теодора Бовері (англ. Theodor Heinrich Boveri) 1888 року навели сильні доводи на підтримку гіпотези, що саме хромосоми є носіями генетичної інформації в клітині. Вже 1905 року Нетті Стівенс (англ. Nettie Maria Stevens) запропонувала теорію, що статеві хромосоми відрізняються у різних статей. Едмунд Вілсон^[en] (англ. Edmund Beecher Wilson) зробив аналогічне відкриття незалежно 1905 року. 1949 року роботи Мюррея Барра^[en] (англ. Murray Llewellyn Barr) довели, що стать диференційованих соматичних клітин модельних об'єктів може бути визначено шляхом підрахування структур в ядрі, яким дали назву тільця Барра^[4].

1959 року Сусумо Оно^[en] (англ. Susumu Ohno) встановив, що тільця Барра — то є X-хромосома^[1]. 1959 року В. Вельшонс (англ. W. J. Welshons) і Ліане Расселл^[en] (англ. Liane B. Russell) довели, що миші-моносоміки по X-хромосомі, X0, — фенотипово нормальні, здатні до розмноження самиці, що навело на думку, що лише однієї X-хромосоми достатньо для нормального розвитку^[5].

Мері Лайон (англ. Mary F. Lyon) 1961 року вивчала забарвлення хутра мишей, що є ознакою, зчепленою зі статтю, і кодується в X-хромосомі. Вона встановила, що самці XY завжди забарвлені монотонно, тоді як самиці XX можуть бути фенотиповими мозаїками — мати різнозабарвлене хутро, а самці XXY також можуть мати різне забарвлення хутра. Таким чином Мері Лайон встановила, що неактивна X-хромосома (у тільцях Барра), може бути як батьківського, так і материнського походження^[1].

З нагоди 50 років відкриття інактивації X-хромосоми у липні 2011 року було проведено конференцію Європейської Організації Молекулярної Біології^[6].

У більшості ссавців, самиці мають дві Х-хромосоми, у той час як самці мають одну Х-хромосому й одну Y-хромосому. Y-хромосома визначає стать у ранньому ембріональному періоді шляхом експресії транскрипційного фактору, що кодується SRY геном, який вмикає каскад реакцій, що призводять до фенотипу самця. За відсутності SRY розвивається фенотип самиці^[8]. У самців (XY) і самиць (XX) виникає нерівновага в дозі генів, особливо враховуючи, що Y-хромосома набагато менша за Х-хромосому, і кодує лише невелику кількість генів. Інактивація X-хромосоми збалансовує таку нерівновагу.

Одна з Х-хромосом у клітинах самиць вимикається епігенетично, тобто послідовність нуклеотидів у ДНК не змінюється. Замість цього утворюється щільний гетерохроматин — фізико-хімічний стан всієї хромосоми чи її частини, в якому ускладнена взаємодія факторів транскрипції з ДНК — і процес зчитування РНК з цієї хромосоми не відбувається. Утворення гетерохроматину відбувається за допомогою метилювання ДНК та модифікації гістонових білків, а при інактивації Х-хромосоми важливу роль відіграють довгі некодуючі РНК^[9].

Процес інактивації X-хромосоми складається з декількох етапів^[7]:

• підрахунок X-хромосом;
• вибір хромосоми для інактивації;
• початок інактивації;
• підтримання X-хромосоми в неактивному стані.

У подальшому неактивна X-хромосома залишається стабільно заглушеною. У цьому важливу роль грає метилювання ДНК — епігенетичний процес, що полягає в додаванні метильної групи до нуклеотиду цитозину. Така біохімічна зміна може підтримуватися довгий час і впливати на активність генів^[10].

Компоненти гетерохроматину неактивної X-хромосоми відрізняються від гетерохроматину в інших хромосомах. На неактивній X-хромосомі знайдено варіант гістонового білку macroH2A, та білок Trithorax. Також встановлено, що, на відміну від інших хромосом, білкові компоненти неактивної X-хромосоми розподілено рівномірно по всій її довжині^[7][11].

Вивчення інактивації X-хромосоми пролило світло на декілька молекулярно-біологічних процесів: роль довгих некодуючих РНК, геномний імпринтинг та соматичне парування хромосом у ссавців^[1].

Методика RAP–MS (англ. RNA antisense purification followed by quantitative mass spectrometry) дозволяє вивчати in vivo взаємодію білків та довгих некодуючих РНК. За допомогою RAP–MS у 2015 році встановили, що задля розміщення днРНК Xist на хромосомі, необхідна дія білку SAFA^[12] (англ. scaffold attachment factor A). Крім цього, виключення (нокдаун) генів, що кодують білки, SHARP^[13](англ. SMRT and HDAC1-associated repressor protein) та LBR^[14](англ. lamin-B receptor) призводило до зупинки інактивації X-хромосоми у дослідах над ембріональними стовбуровими клітинами мишей^[15][16].

При розміщенні Xist на X-хромосомі з цією хромосомою вже не з'єднується РНК-полімераза II — полімераза, яка транскрибує більшість мРНК. Виключення гену, що кодує SAFA призводило до хаотичного розміщення Xist, тоді як виключення гену, що кодує білок SHARP призводило до повернення РНК-полімерази II. Також білок SHARP взаємодіє з білками-ремодуляторами структури хроматину, такими як гістондеацетилази. Причому, виключення гістондеацетилази 3 (HDAC3), а не інших видів гістондеацетилаз, призводило до порушення механізму інактивації X-хромосоми^[15][16].

Важливим елементом інактивації є дія репресивного комплексу Polycomb, PRC2^[en] (англ. Polycomb repressive complex 2), проте дія комплексу PRC2 не важлива при ініціації процесу інактивації, скоріше у підтриманні хромосоми у інактивованому стані – триметилюванні 27 лізину H3 гістону (H3K27me3, див табличку "Порівняння еу- та гетерохроматину")^[15]

ЦІХ — центр інактивації X-хромосоми

Дослідження на мишачих моделях встановили, що для інактивації X-хромосоми потрібна особлива ділянка — центр інактивації X-хромосоми, ЦІХ (англ. XIC, X inactivation centre)^[17]. Центр інактивації X-хромосоми складається приблизно з мільйона пар основ, має декілька елементів, що беруть участь у інактивації X-хромосоми, та містить принаймні чотири гени^[18]. Для початку інактивації потрібно два таких центри, по одному на кожній хромосомі, і необхідно, щоб між ними був зв'язок. Взаємодія між двома гомологічними X-хромосомами відбувається в центрі інактивації. Але залишається відкритим питання, що саме є причиною, а що наслідком: чи зближення хромосом призводить до початку інактивації, чи навпаки^[19].

Xist

У межах ділянки центру інактивації X-хромосоми закодовано ген Xist (англ. X-inactive specific transcript), який транскриптується в довгу некодуючу РНК Xist. Xist вкриває ту X-хромосому, що буде неактивною (спочатку в зоні ЦІХ, а потім — по всій довжині хромосоми). В процесі ембріонального розвитку Xist експресується з обох хромосом, але потім в одній X-хромосомі експресія Xist припиняється (і саме ця хромосома залишиться активною). Придушення експресії Xist збігається в часі з початком інактивації X-хромосоми^[17].

При гетерозиготній мутації Xist, тобто такій, коли нормальний Xist є лише на одній з двох гомологічних хромосом, та X-хромосома, в якій є мутантний Xist, не інактивується^[20].

Tsix

З локусу центру інактивації X-хромосоми зчитується антизмістовний транскрипт з комплементарного ланцюга ДНК того ж гену Xist. Такій нкРНК дали назву Tsix (Xist написаний задом-наперед), і встановили, що Tsix — негативний регулятор Xist, і його експресія необхідна для підтримки X-хромосоми в активному стані. Багато праць вказують на те, що саме співвідношення Tsix/Xist важливе для вибору, який алель буде глушитись, і, відповідно, яку хромосому буде інактивовано^[17]. Є дані, що саме Tsix призводить до асоціації двох гомологічних X-хромосом, і експресія Tsix РНК є необхідною, але не достатньою умовою для підрахунку й вибору хромосоми для інактивації^[19]

Tsix стала першою відомою антизмістовною РНК ссавців, що зустрічається в природі та має чітку функцію in vivo.

Додаткові регулятори

У зоні центру інактивації X-хромосоми знайдено велику кількість ділянок, які впливають на процес IXX. Такі ділянки впливають на процес інактивації X-хромосоми як у цис-, так і в транс-положенні, тобто як на одній і тій же хромосомі, на якій вони розташовані (цис-регуляторний елемент), так і на іншій (транс-регуляторний елемент). Багато некодуючих РНК впливають на активність Xist та Tsix (Jpx, Ftx та Tsx).

Xite

Xite (англ. X-inactivation intergenic transcription element) — ще один некодуючий транскрипт, що розташований перед Tsix і діє як підсилювач експресії Tsix на майбутній активній X-хромосомі^[21].

LINE1

У геномі людини значну частку всієї послідовності ДНК становлять так звані транспозони, або мобільні елементи геному. Частина їх є ретротранспозонами (у людини ретротранспозони займають до 42% геному) — мобільними елементами, які копіюють і вставляють себе в геном за допомогою транскрипції з ДНК на РНК, а потім зворотної транскрипції з РНК у ДНК. LINE1 (англ. Long Interspersed Nuclear Elements) — один з активних ретротранспозонів у людини^[22]. LINE1 зустрічається в X-хромосомі набагато частіше, ніж в інших хромосомах. Є праці, які вказують на участь РНК LINE1 в інактивації X-хромосоми^[23].

На початкових стадіях розвитку є різниця, якого походження X-хромосома, батьківського чи материнського. З початку ембріогенезу X-хромосома батьківського походження завжди неактивна. В цьому процесі важливу роль грає геномний імпринтинг. Потім, у період формування бластули обидві X-хромосоми активуються^[9]. У подальшому розвитку в ембріональних клітинах інактивація X-хромосом відбувається в довільному порядку, незалежно від походження X-хромосом. Але в позаембріональних тканинах (включно з трофобластом, що формує більшу частину плаценти) активною залишається лише X-хромосома від матері, а батьківська X-хромосома інактивується^[1].

Далі в зародку при формуванні майбутніх статевих клітин (гаметогенез) відбувається наступний етап активацій X-хромосом перед мейотичним поділом. Кожна з X-хромосом отримує постійну імпринтну мітку, що вказує, якого вона походження.

Деякі гени, що розташовані на неактивній X-хромосомі, уникають заглушення й експресуються з обох X-хромосом. У людській лінії фібробластів 15% генів, що розташовані на неактивній X-хромосомі, тією чи іншою мірою експресуються. Рівень зчитування цих генів дуже залежить від того, в якій частині хромосоми вони закодовані^[24]. Такі гени призводять до різноманіття, яке залежить від статі й типу тканини^[25].

Основні роботи з вивчення інактивації X-хромосоми було зроблено на мишах. В останні роки надходить усе більше даних, що мишача модель інактивації X-хромосоми відрізняється від інших ссавців.

У кроликів та людей Xist-гомолог не підлягає імпринтингу, Xist зчитується з обох хромосом. У кроликів це може ввімкнути процес IXX на обох X-хромосомах^[26].

Більше того, X-хромосоми в багатьох видів мають досить специфічний набір генів: такі гени мають низький рівень експресії в соматичних тканинах, але високий рівень експресії — у тканинах, які беруть участь у репродуктивних функціях організму (наприклад, яєчники)^[25].

XACT РНК у людини

2013 року дослідники РНК людини виявили довгу некодуючу РНК XACT (англ. X-active coating transcript), що зв'язується з активною X-хромосомою^[27]. XACT експресується з активної X-хромосоми, але при диференціації глушиться, і вже в диференційованих клітинах (таких, як фібробласти) XACT РНК немає. За відсутності XIST-РНК, XACT експресується з обох X-хромосом у людини, але не в миші^[28].

Сумчасті

У сумчастих немає Xist-РНК і достеменно невідомо, як відбувається процес інактивації X-хромосоми. Але в одного з видів опосумів, Monodelphis domestica, знайдено довгу некодуючу РНК Rsx (англ. RNA-on-the-silent X), яка схожа за функціями з Xist і бере участь в інактивації X-хромосоми^[29].

Раніше вважалося, що вибір хромосоми для інактивації повністю випадковий, і кожна з двох гомологічних X-хромосом буде інактивована з імовірністю 50%. Але з'явилися публікації, які доводять, що в деяких модельних організмах генетичні фактори впливають на вибір. Так, у мишей існують регуляторні елементи (англ. Xce, X-controlling element), які мають три алельні форми, і одна з них, Xce^c, частіше зустрічається в активній X-хромосомі, тоді як Xce^a частіше зустрічається в неактивній^[30].

Залишається нез'ясованим, чи в довільному порядку відбувається інактивація X-хромосоми в людини. Нещодавні дослідження вказують на те, що генетичне оточення може впливати на вибір X-хромосоми, яку буде інактивовано^[30].

• Детермінація статі
• Метилювання ДНК
• Геномний імпринтинг
• РНК інтерференція
• Генетична рекомбінація

• X Inactivation and Epigenetics. YouTube (англ.). WEHImovies. 2012. Архів оригіналу за 18 квітня 2014. Процитовано 16 липня 2013.
• Morey C, Avner P. The demoiselle of X-inactivation: 50 years old and as trendy and mesmerising as ever // PLoS Genetics. — 2011. — July. — DOI:10.1371/journal.pgen.1002212. — PMID 21811421 . Процитовано 19.07.2013.
• А. В. Сиволоб (2008). Молекулярна біологія (PDF). К: Видавничо-поліграфічний центр «Київський університет». с. 194. Архів оригіналу (PDF) за 4 березня 2016. Процитовано 8 серпня 2013.
• А. В. Сиволоб, К. С. Афанасьєва (2012). Молекулярна організація хромосом (PDF). К: Видавничо-поліграфічний центр «Київський університет». с. 27. Архів оригіналу (PDF) за 23 вересня 2015. Процитовано 8 серпня 2013.