X -deaktivace - X-inactivation

Zbarvení želvovin a kaliko koček je viditelným projevem X-inaktivace. Černé a oranžové alely genu pro zbarvení srsti se nacházejí na chromozomu X. Inaktivace chromozomu X, který nese jednu alelu, má za následek barvu srsti druhé, aktivní alely.
Proces a možné výsledky náhodné inaktivace chromozomů X v lidských embryonálních buňkách žen podstupujících mitózu .
1. Raná fáze embryonální buňky ženského člověka 2.
Materský X chromozom 3.
Otcovský X chromozom
4. Mitóza a náhodná událost inaktivace X-chromozomu
5. Otcovský chromozom je náhodně inaktivován v jedné dceřiné buňce, mateřský chromozom je inaktivován v ostatních
6 .Pramatický chromozom je náhodně inaktivován v obou dceřiných buňkách
7. Mateřský chromozom je náhodně inaktivován v obou dceřiných buňkách
8. Tři možné výsledky náhodných kombinací
Jádro ženské buňky. Nahoru: Oba X-chromozomy jsou detekovány pomocí FISH . Dole: Stejné jádro obarvené barvením DNA ( DAPI ). Barrovo tělo je označeno šipkou, identifikuje neaktivní X (Xi).
Mezifázová ženská lidská fibroblastová buňka. Šipky ukazují na pohlavní chromatin na DNA ( DAPI ) v buněčném jádru (vlevo) a na odpovídající X chromatin (vpravo).
Vlevo: jádro obarvené DNA (DAPI). Šipka označuje umístění Barrova těla (Xi). Vpravo: detekován protein histonů spojený s DNA
Obrázek ukazuje snímky z konfokální mikroskopie z kombinovaného experimentu FISH RNA-DNA pro Xist ve fibroblastových buňkách od dospělých myších samic, což ukazuje, že Xist RNA pokrývá pouze jeden z X-chromozomů. RNA FISH signály z Xist RNA jsou zobrazeny červenou barvou, označující neaktivní chromozom X (Xi). Signály DNA FISH z Xist lokusů jsou zobrazeny žlutě a označují aktivní i neaktivní X-chromozomy (Xa, Xi). Jádro ( barvené DAPI ) je zobrazeno modře. Obrázek je převzat z :.

X-inaktivace (také nazývaný Lyonization po anglicky geneticist Mary Lyon ) je proces, při kterém je jeden z kopií chromozomu X je inaktivován v therian samic savců . Neaktivní chromozom X je umlčen tím, že je zabalen do transkripčně neaktivní struktury zvané heterochromatin . Protože téměř všechny samice savců mají dva chromozomy X, X-inaktivace jim brání mít dvakrát tolik genových produktů X chromozomů než muži , kteří vlastní pouze jednu kopii chromozomu X (viz kompenzace dávky ).

Volba toho, který chromozom X bude inaktivován, je náhodný u placentárních savců, jako jsou lidé , ale jakmile je chromozom X inaktivován, zůstane neaktivní po celou dobu životnosti buňky a jejích potomků v organismu (její buněčné linii). Obvykle dochází k X-inaktivaci, která je nerovnoměrně rozložena mezi buněčné linie v rámci jednoho organismu ( vychýlená X-inaktivace ).

Na rozdíl od náhodné X-inaktivace u placentálních savců se inaktivace u vačnatců vztahuje výhradně na otcovsky odvozený chromozom X.

Mechanismus

Cyklus aktivace X-chromozomu u hlodavců

Níže uvedené odstavce se týkají pouze hlodavců a neodrážejí XI u většiny savců. X-inaktivace je součástí aktivačního cyklu chromozomu X v průběhu celého ženského života. Vejce a oplodněná zygota zpočátku používají mateřské transkripty a celý embryonální genom je umlčen až do aktivace zygotického genomu. Poté všechny myší buňky podstoupí časnou, tištěnou inaktivaci otcovsky odvozeného chromozomu X v embryích 4–8 buněčného stadia . Tyto extraembryonálních tkání (které vedou k placentě a dalších tkáních podporujících embryo) zachovat tuto brzy potiskem inaktivaci, a tím jen chromozom X matky je aktivní v těchto tkáních.

V rané blastocystě je tato počáteční, tištěná X-inaktivace obrácena v buňkách vnitřní buněčné hmoty (což dává vznik embryu) a v těchto buňkách se oba X chromozomy opět aktivují. Každá z těchto buněk pak nezávisle a náhodně deaktivuje jednu kopii chromozomu X. Tato událost deaktivace je během života jedince nevratná, s výjimkou zárodečné linie. V ženské zárodečné linii před vstupem meiotik je X-inaktivace obrácena, takže po meióze obsahují všechny haploidní oocyty jeden aktivní X chromozom.

Přehled

Xi známky neaktivní, Xa aktivní X chromozóm. X P označuje otcovský a X M označuje mateřský X chromozom. Když je vajíčko (nesoucí X M ) oplodněno spermatem (nesoucí Y nebo X P ), vytvoří se diploidní zygota. Od zygoty přes dospělou fázi až po další generaci vajíček prochází chromozom X následujícím změnám:

  1. Xi P Xi M zygota → prochází aktivací zygotického genomu , což vede k:
  2. Xa P Xa M → prochází potištěnou (otcovskou) X-inaktivací , což vede k:
  3. Xi P Xa M → prochází aktivací X v rané fázi blastocysty , což vede k:
  4. Xa P Xa M → prochází náhodnou inaktivací X v embryonální linii (vnitřní buněčná hmota) ve stadiu blastocysty, což vede k:
  5. Xi P Xa M NEBO Xa P Xi M → prochází reaktivací X v primordiálních zárodečných buňkách před meiózou , což vede k:
  6. Xa M Xa P diploidní zárodečné buňky při meiotické zástavě. Protože meióza, kterou dokončuji pouze s ovulací , existují lidské zárodečné buňky v této fázi od prvních týdnů vývoje až do puberty. Dokončení meiózy vede k:
  7. Xa M A Xa P haploidní zárodečné buňky (vajíčka).

Cyklus aktivace X byl nejlépe studován na myších, ale existuje několik studií na lidech. Protože většina důkazů pochází od myší, výše uvedené schéma představuje události u myší. Dokončení meiózy je zde pro přehlednost zjednodušeno. Kroky 1–4 lze studovat na oplodněných embryích in vitro a na diferenciaci kmenových buněk; Reaktivace X probíhá ve vyvíjejícím se embryu a následné (6–7) kroky uvnitř ženského těla, proto je mnohem obtížnější jej studovat.

Načasování

Načasování každého procesu závisí na druhu a v mnoha případech se o přesném čase aktivně diskutuje. [Celá část lidského načasování X-inaktivace v této tabulce je velmi diskutabilní a měla by být odstraněna, dokud nebude řádně podložena empirickými údaji]

Přibližné načasování hlavních událostí v cyklu aktivace chromozomu X
Proces Myš Člověk
1 Aktivace zygotického genomu Stádium 2–4 buněk 2–8 stádium buňky
2 Vtištěná (otcovská) X-deaktivace Stádium 4–8 buněk Není jasné, zda k tomu dochází u lidí
3 X-aktivace Raná fáze blastocysty Raná fáze blastocysty
4 Náhodná X-inaktivace v embryonální linii (vnitřní buněčná hmota) Stádium pozdní blastocysty Stádium pozdní blastocysty po implantaci
5 Reaktivace X v primordiálních zárodečných buňkách před meiózou Od 4. vývojového týdne do 14. týdne
Dědičnost stavu inaktivace napříč generacemi buněk

Potomci každé buňky, která inaktivovala konkrétní chromozom X, také deaktivují stejný chromozom. Tento jev, který lze pozorovat při zbarvení želvovinových koček, když jsou ženy heterozygotní pro gen vázaný na X , by neměl být zaměňován s mozaicismem , což je termín, který specificky odkazuje na rozdíly v genotypu různých buněčných populací ve stejné individuální; X-inaktivace, což je epigenetická změna, která má za následek jiný fenotyp, není změnou na genotypové úrovni. Pro jednotlivou buňku nebo linii je tedy inaktivace zkosená nebo „ nenáhodná “, což může u ženských „přenašečů“ genetických poruch spojených s X vést k mírným symptomům .

Výběr jednoho aktivního chromozomu X

Normální ženy mají dva chromozomy X a v každé buňce bude aktivní jeden chromozom (označený jako Xa) a jeden bude neaktivní (Xi). Studie jednotlivců s extra kopiemi chromozomu X však ukazují, že v buňkách s více než dvěma chromozomy X je stále pouze jeden Xa a všechny zbývající chromozomy X jsou deaktivovány. To naznačuje, že výchozí stav chromozomu X u žen je deaktivace, ale vždy je vybrán jeden chromozom X, aby zůstal aktivní.

Rozumí se, že inaktivace X-chromozomů je náhodný proces, ke kterému dochází přibližně v době gastrulace v epiblastu (buňky, z nichž vznikne embryo). Mateřský a otcovský chromozom X mají stejnou pravděpodobnost inaktivace. To by naznačovalo, že se od žen očekává, že budou trpět poruchami spojenými s X přibližně 50% tak často jako muži (protože ženy mají dva chromozomy X, zatímco muži mají pouze jeden); ve skutečnosti je však výskyt těchto poruch u žen mnohem nižší. Jedním z vysvětlení této nesrovnalosti je, že 12–20% genů na inaktivovaném chromozomu X zůstává exprimováno, což poskytuje ženám dodatečnou ochranu před defektními geny kódovanými chromozomem X. Někteří naznačují, že tento nepoměr musí být důkazem preferenční (nenáhodné) deaktivace. K preferenční inaktivaci otcovského X-chromozomu dochází jak u vačnatců, tak u buněčných linií, které tvoří membrány obklopující embryo, zatímco u placentárních savců může být inaktivován mateřský nebo otcovsky odvozený X-chromozom v různých buněčných liniích.

Časové období pro inaktivaci chromozomů X vysvětluje tento nepoměr. K inaktivaci dochází v epiblastu během gastrulace, což vede ke vzniku embrya. K inaktivaci dochází na buněčné úrovni, což má za následek mozaikovou expresi, ve které mají skvrny buněk neaktivní mateřský X-chromozom, zatímco jiné skvrny mají neaktivní otcovský X-chromozom. Například u heterozygotní ženy s hemofilií (onemocnění spojené s X) by správně fungovala zhruba polovina jejích jaterních buněk, což je obvykle dostačující k zajištění normální srážlivosti krve. Šance by mohla mít za následek výrazně více dysfunkčních buněk; takové statistické extrémy jsou však nepravděpodobné. Genetické rozdíly na chromozomu mohou také způsobit, že jeden X-chromozom podstoupí inaktivaci. Pokud má jeden chromozom X také mutaci, která brání jeho růstu nebo je činí životaschopným, budou mít buňky, které náhodně inaktivují X, selektivní výhodu oproti buňkám, které náhodně inaktivují normální alelu. I když je inaktivace zpočátku náhodná, buňky, které inaktivují normální alelu (ponechají mutovanou alelu aktivní), nakonec porostou a nahradí je funkčně normální buňky, ve kterých téměř všechny mají aktivovaný stejný X-chromozom.

Předpokládá se, že existuje autosomálně kódovaný „blokovací faktor“, který se váže na chromozom X a brání jeho deaktivaci. Model předpokládá, že existuje omezující blokovací faktor, takže jakmile se dostupná molekula blokovacího faktoru naváže na jeden chromozom X, zbývající chromozomy X nejsou chráněny před inaktivací. Tento model je podporován existencí jediného Xa v buňkách s mnoha X chromozomy a existencí dvou aktivních X chromozomů v buněčných liniích s dvojnásobkem normálního počtu autozomů.

Sekvence v X inaktivačním centru ( XIC ), přítomném na chromozomu X, řídí umlčení chromozomu X. Předpokládá se, že hypotetický blokovací faktor se bude vázat na sekvence v XIC.

Exprese poruch spojených s X u heterozygotních žen

Účinek heterozygotnosti samice X je patrný u některých lokalizovaných znaků, jako je například jedinečný vzor srsti kočky kaliko. Může však být obtížnější plně porozumět expresi nelokalizovaných znaků u těchto žen, jako je výraz nemoci.

Protože muži mají pouze jednu kopii chromozomu X, jsou všechny exprimované X-chromozomální geny (nebo alely , v případě více variantních forem pro daný gen v populaci) umístěny na této kopii chromozomu. Samice však budou primárně exprimovat geny nebo alely umístěné na kopii chromozomu X, která zůstává aktivní. Vzhledem k situaci pro jeden gen nebo více genů způsobujících individuální rozdíly v konkrétním fenotypu (tj. Způsobující rozdíly pozorované v populaci pro tento fenotyp), u homozygotních žen nezáleží na tom, která kopie chromozomu je inaktivována, alely na obou kopiích jsou stejné. U žen, které jsou heterozygotní v příčinných genech, však může mít inaktivace jedné kopie chromozomu nad druhou přímý dopad na jejich fenotypovou hodnotu. Kvůli tomuto jevu je pozorován nárůst fenotypových variací u žen, které jsou heterozygotní v zapojeném genu nebo genech, než u žen, které jsou homozygotní v tomto genu nebo těchto genech. Existuje mnoho různých způsobů, kterými se může fenotypová variace projevit. V mnoha případech mohou být heterozygotní ženy asymptomatické nebo mohou vykazovat pouze mírné symptomy dané poruchy, například s X-vázanou adrenoleukodystrofií.

Diferenciace fenotypu u heterozygotních samic je podpořena přítomností zkosení X-inaktivace. Každý X-chromozom je obvykle umlčen v polovině buněk, ale tento proces je zkosený, když dojde k preferenční inaktivaci chromozomu. Předpokládá se, že ke zkosení dochází buď náhodou, nebo fyzickou charakteristikou chromozomu, která může způsobit, že bude více či méně často umlčován, například nepříznivá mutace.

V průměru je každý X chromozom inaktivován v polovině buněk, nicméně 5-20% „zjevně normálních“ žen vykazuje zkosení X-inaktivace. V případech, kdy je přítomno zkosení, může dojít k široké škále projevů symptomů, což má za následek, že se výraz mění od malého po závažný v závislosti na poměru zkosení. Extrémní případ byl pozorován tam, kde monozygotická ženská dvojčata měla extrémní rozptyl v expresi Menkesovy choroby (porucha spojená s X), což mělo za následek smrt jednoho dvojčete, zatímco druhé zůstalo asymptomatické.

Předpokládá se, že zkosení X-inaktivace může být způsobeno problémy v mechanismu, který způsobuje inaktivaci, nebo problémy v samotném chromozomu. Vazba mezi fenotypem a zkosením je však stále zpochybňována a měla by být zkoumána případ od případu. Studie zkoumající symptomatické i asymptomatické ženy, které byly heterozygotní pro Duchennovu a Beckerovu svalovou dystrofii (DMD), nenalezla žádnou zjevnou souvislost mezi expresí transkriptu a zkreslenou X-inaktivací. Studie naznačuje, že oba mechanismy jsou nezávisle regulovány a ve hře jsou další neznámé faktory.

Chromozomální složka

X-inaktivační centrum (nebo jednoduše XIC) na chromozomu X je nezbytné a dostatečné k vyvolání X-inaktivace. Chromozomální translokace, které umísťují XIC na autosom, vedou k inaktivaci autozomu a X chromozomy postrádající XIC nejsou deaktivovány.

XIC obsahuje čtyři jiné než přeložené RNA geny, Xist , Tsix , Jpx a FTx , které jsou zapojeny do X-inaktivace. XIC také obsahuje vazebná místa pro známé i neznámé regulační proteiny .

Xist a Tsix RNA

Gen X-inactive specific transcript ( Xist ) kóduje velkou nekódující RNA, která je zodpovědná za zprostředkování specifického umlčení chromozomu X, ze kterého je transkribován. Neaktivní chromozom X je potažen Xist RNA, zatímco Xa není (viz obrázek vpravo). Chromozomy X, které postrádají gen Xist, nelze deaktivovat. Umělé umístění a exprese genu Xist na jiném chromozomu vede k umlčení tohoto chromozomu.

Před inaktivací oba X chromozomy slabě exprimují Xist RNA z genu Xist. Během procesu deaktivace přestává Xa exprimovat Xist, zatímco budoucí Xi dramaticky zvyšuje produkci Xist RNA. Na budoucím Xi Xist RNA progresivně obaluje chromozom a šíří se z XIC; Xist RNA se nelokalizuje na Xa. K umlčení genů podél Xi dochází brzy po potažení Xist RNA.

Stejně jako Xist, gen Tsix kóduje velkou RNA, o které se nevěří, že by kódovala protein. Tsix RNA je transkribována antisense na Xist, což znamená, že gen Tsix překrývá gen Xist a je transkribován na opačném řetězci DNA od genu Xist. Tsix je negativní regulátor Xist; X chromozomy postrádající expresi Tsix (a tedy s vysokými úrovněmi Xist transkripce) jsou inaktivovány mnohem častěji než normální chromozomy.

Stejně jako Xist, před inaktivací oba X chromozomy slabě exprimují Tsix RNA z genu Tsix. Po nástupu X-inaktivace budoucí Xi přestává exprimovat Tsix RNA (a zvyšuje expresi Xist), zatímco Xa pokračuje v expresi Tsix několik dní.

Rep A je dlouhá nekódující RNA, která pracuje s další dlouhou nekódující RNA, Xist, pro X inaktivaci. Rep A inhibuje funkci Tsix, antisense Xistu, ve spojení s eliminací exprese Xite. Podporuje methylaci oblasti Tsix přitahováním PRC2 a tím inaktivací jednoho z chromozomů X.

Ztišení

Neaktivní chromozom X neexprimuje většinu svých genů, na rozdíl od aktivního chromozomu X. To je způsobeno umlčením Xi represivním heterochromatinem , který zhutňuje Xi DNA a brání expresi většiny genů.

Ve srovnání s Xa má Xi vysokou úroveň methylace DNA , nízké hladiny acetylace histonu , nízké hladiny methylace histonu H3 lysin-4 a vysoké hladiny methylace histonu H3 lysinu-9 a methylace H3 lysinu-27, které jsou umístěny podle PRC2 komplex rekrutovaný Xist , z nichž všechny jsou spojené s umlčování genů. PRC2 reguluje zhutňování chromatinu a remodelaci chromatinu v několika procesech, včetně reakce na poškození DNA . Kromě toho se histonová varianta nazvaná macroH2A ( H2AFY ) nachází výhradně na nukleosomech podél Xi.

Barrova těla

DNA zabalená v heterochromatinu, jako je Xi, je kondenzovanější než DNA zabalená v euchromatinu , jako je Xa. Neaktivní X tvoří v jádru diskrétní tělo zvané Barrovo tělo . Barrovo tělo se obecně nachází na periferii jádra , v buněčném cyklu se replikuje pozdě a obsahuje Xi, heterochromatinové modifikace a Xist RNA.

Vyjádřené geny na neaktivním chromozomu X

Zlomek genů podél chromozomu X uniká deaktivaci na Xi. Gen Xist je exprimován ve vysokých hladinách na Xi a není exprimován na Xa. Mnoho dalších genů uniká deaktivaci; některé jsou exprimovány stejně z Xa a Xi a jiné, i když jsou exprimovány z obou chromozomů, jsou stále převážně exprimovány z Xa. Až jedna čtvrtina genů na lidském Xi je schopna uniknout. Studie na myších naznačují, že v jakémkoli daném buněčném typu 3% až 15% genů unikne inaktivaci a unikající genová identita se mezi tkáněmi liší.

Mnoho z genů, které jsou přítomny po oblastech chromozomu X uniknout inaktivace, která, na rozdíl od většiny chromosomu X, obsahují geny také přítomný na chromozomu Y . Tyto oblasti se nazývají pseudoautosomální oblasti, protože jednotlivci obou pohlaví obdrží dvě kopie každého genu v těchto oblastech (jako autozom), na rozdíl od většiny genů podél pohlavních chromozomů. Vzhledem k tomu, že jednotlivci jakéhokoli pohlaví obdrží dvě kopie každého genu v pseudoautosomální oblasti , není u žen nutná žádná kompenzace dávkování, takže se předpokládá, že tyto oblasti DNA vyvinuly mechanismy, jak uniknout X-inaktivaci. Geny pseudoautosomálních oblastí Xi nemají typické modifikace Xi a mají malou vazbu na Xist RNA.

Existence genů podél neaktivního X, které nejsou umlčeny, vysvětluje vady u lidí s abnormálním počtem chromozomů X, jako je Turnerův syndrom (X0) nebo Klinefelterův syndrom (XXY). Inaktivace X by teoreticky měla eliminovat rozdíly v dávkování genů mezi postiženými jedinci a jedinci s normálním chromozomovým komplementem. U postižených jedinců je však X-inaktivace neúplná a dávkování těchto nemlčených genů se bude lišit, protože uniknou X-inaktivaci, podobně jako autozomální aneuploidie .

Přesné mechanismy, které řídí únik z X-inaktivace, nejsou známy, ale bylo prokázáno, že umlčené a únikové oblasti mají odlišné chromatinové značky. Bylo navrženo, že únik z X-inaktivace může být zprostředkován expresí dlouhé nekódující RNA (lncRNA) v unikajících chromozomálních doménách.

Využití v experimentální biologii

Stanley Michael Gartler použil inaktivaci X-chromozomů k demonstraci klonálního původu rakovin. Zkoumání normálních tkání a nádorů od žen heterozygotních na izoenzymy genu G6PD vázaného na pohlaví ukázalo, že nádorové buňky od takových jedinců exprimují pouze jednu formu G6PD, zatímco normální tkáně jsou složeny z téměř stejné směsi buněk exprimujících dva různé fenotypy. Tento vzorec naznačuje, že z jedné buňky, a nikoli z populace, vyroste rakovina. Tento vzorec se však ukázal být špatný pro mnoho typů rakoviny, což naznačuje, že některé druhy rakoviny mohou mít polyklonální původ.

Kromě toho je měření stavu methylace (inaktivace) polymorfního lidského androgenního receptoru (HUMARA) umístěného na X-chromozomu považováno za nejpřesnější metodu pro posouzení klonality v biopsiích rakoviny žen. Touto metodou byla testována celá řada nádorů, některé, jako například karcinom ledvinových buněk, byly nalezeny monoklonální, zatímco u jiných (např. Mezoteliom) byly zaznamenány polyklonální.

Výzkumníci také zkoumali použití X-chromozomové inaktivace k umlčení aktivity autozomálních chromozomů. Například Jiang a kol. vložil kopii genu Xist do jedné kopie chromozomu 21 v kmenových buňkách odvozených od jedince s trizomií 21 ( Downův syndrom ). Vložený gen Xist indukuje tvorbu Barrova těla, spouští stabilní heterochromatinové modifikace a umlčuje většinu genů na extra kopii chromozomu 21. Zdá se, že v těchto modifikovaných kmenových buňkách umlčení genu zprostředkované Xistem zvrátí některé defekty spojené s Downem syndrom.

Dějiny

V roce 1959 Susumu Ohno ukázal, že dva chromozomy X savců jsou odlišné: jeden vypadal podobně jako autosomy ; druhý byl zhuštěný a heterochromatický. Toto zjištění nezávisle na dvou skupinách vyšetřovatelů naznačovalo, že jeden z chromozomů X prošel inaktivací.

V roce 1961 navrhla Mary Lyon náhodnou inaktivaci jednoho ženského chromozomu X, aby vysvětlila skvrnitý fenotyp samic myší heterozygotních pro geny barvy srsti . Lyonská hypotéza také odpovídala za zjištění, že jedna kopie chromozomu X v ženských buňkách byla vysoce kondenzovaná a že myši s jedinou kopií chromozomu X se vyvinuly jako neplodné samice. To Ernestu Beutlerovi , studujícímu heterozygotním samicím na nedostatek glukózo-6-fosfátdehydrogenázy (G6PD), naznačilo , že u takových heterozygotů existují dvě populace červených krvinek erytrocytů: deficientní buňky a normální buňky, v závislosti na tom, zda inaktivovaný chromozom X (v jádro prekurzorové buňky červené buňky) obsahuje normální nebo defektní alelu G6PD.

Viz také

Reference

Další čtení

externí odkazy