Інактивація X-хромосоми, IXX () — процес дозової компенсації генів у ссавців, який призводить до транскрипційної активності лише однієї статевої X-хромосоми у самиць та самців. Інактивація відбувається за правилом (n-1), де n — кількість X-хромосом у ядрі. X-хромосома — одна з двох статевих хромосом у ссавців. У більшості ссавців самці мають статеву Y-хромосому та одну X-хромосому, тоді як у самиць — дві X-хромосоми.
Класичне визначення інактивації X-хромосоми — процес, в якому одна з двох статевих хромосом у самиць ссавців стає неактивною.
Однак при певних патологіях і анеуплоїдіях кількість X-хромосом може бути іншою: так при синдромі Клайнфельтера можливі варіанти істот чоловічої статі XXY, XXXY, XXXXY; при синдромі Шерешевського-Тернера самиці є моносоміками по X-хромосомі — X0, також існують самиці-трисоміки по X, — XXX. Інактивація X-хромосоми відбувається таким чином, що активною залишається лише одна X-хромосома, а всі інші перетворюються на тільця Бара. (Наприклад, у нормальної самиці XX активною буде одна X-хромосома, друга інактивується; у самця з синдромом Клайнфельтера XXXY буде активною одна X-хромосома, дві — ні).
Історія відкриття
Відкриттю інактивації X-хромосоми Мері Лайон у 1961 році передувала серія відкриттів у цитогенетиці.
Роботи Теодора Бовері () 1888 року навели сильні доводи на підтримку гіпотези, що саме хромосоми є носіями генетичної інформації в клітині. Вже 1905 року Нетті Стівенс () запропонувала теорію, що статеві хромосоми відрізняються у різних статей. Едмунд Вілсон () зробив аналогічне відкриття незалежно 1905 року. 1949 року роботи () довели, що стать диференційованих соматичних клітин модельних об'єктів може бути визначено шляхом підрахування структур в ядрі, яким дали назву тільця Барра.
1959 року () встановив, що тільця Барра — то є X-хромосома. 1959 року В. Вельшонс () і () 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.
Мері Лайон () 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.
З нагоди 50 років відкриття інактивації X-хромосоми у липні 2011 року було проведено конференцію Європейської Організації Молекулярної Біології .
Механізм інактивації
У більшості ссавців, самиці мають дві Х-хромосоми, тоді 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. 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.
Процес інактивації X-хромосоми складається з декількох етапів: підрахунок X-хромосом; вибір хромосоми для інактивації; початок інактивації; підтримання X-хромосоми в неактивному стані.
Надалі неактивна X-хромосома залишається стабільно заглушеною. У цьому важливу роль відіграє метилювання ДНК — епігенетичний процес, що полягає в додаванні метильної групи до нуклеотиду цитозину. Така біохімічна зміна може підтримуватися тривалий час і впливати на активність генів.
Компоненти гетерохроматину неактивної X-хромосоми відрізняються від гетерохроматину в інших хромосомах. На неактивній X-хромосомі знайдено варіант гістонового білка macroH2A, та білок Trithorax. Також встановлено, що, на відміну від інших хромосом, білкові компоненти неактивної X-хромосоми розподілено рівномірно по всій її довжині .
Вивчення інактивації X-хромосоми пролило світло на декілька молекулярно-біологічних процесів: роль довгих некодуючих РНК, геномний імпринтинг та соматичне парування хромосом у ссавців.
Методика RAP–MS () 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 SAFAБілок SAF-A (інші назви: Hnrnpu, Heterogeneous nuclear ribonucleoprotein U) миші в датабазі (). Крім цього, виключення (нокдаун) генів, що кодують білки, SHARPБілок Sharp (інші назви: Spen, Msx2-interacting protein) миші в датабазі () та LBRБілок Lbr миші в датабазі () призводило до зупинки інактивації X-хромосоми у дослідах над ембріональними стовбуровими клітинами мишей.
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.
Важливим елементом інактивації є дія репресивного комплексу Polycomb, (), 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")
ЦІХ — центр інактивації X-хромосоми
Дослідження на мишачих моделях встановили, що для інактивації X-хромосоми потрібна особлива ділянка — центр інактивації X-хромосоми, ЦІХ (). 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. 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.
Xist У межах ділянки центру інактивації X-хромосоми закодовано ген Xist (), 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.
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.
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. 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
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 () — ще один некодуючий транскрипт, що розташований перед Tsix і діє як підсилювач експресії Tsix на майбутній активній X-хромосомі.
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 () — один з активних ретротранспозонів у людини. LINE1 зустрічається в X-хромосомі набагато частіше, ніж в інших хромосомах. Є праці, які вказують на участь РНК LINE1 в інактивації X-хромосоми.
Серія активацій та інактивацій X-хромосом На початкових стадіях розвитку є різниця, якого походження X-хромосома, батьківського чи материнського. З початку ембріогенезу X-хромосома батьківського походження завжди неактивна. У цьому процесі важливу роль грає геномний імпринтинг. Потім, у період формування бластули обидві X-хромосоми активуються. 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.
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.
Гени, що зчитуються з неактивної X-хромосоми 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. Такі гени призводять до різноманіття, яке залежить від статі й типу тканини.
Інактивація X-хромосоми в різних видів 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.
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).
XACT РНК у людини 2013 року дослідники РНК людини виявили довгу некодуючу РНК XACT (), що зв'язується з активною X-хромосомою. 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.
Сумчасті