Инактивация X-хромосомы: варианты, механизмы

Обновлено: 23.05.2024

Основное генетическое различие между полами заключается в наличии разного числа Х-хромосом - одна Х-хромосома у самцов и две у самок. Для того, чтобы компенсировать лишнюю дозу гена, у самок происходит инактивация Х-хромосомы. В раннем эмбриогенезе в эпибласте полностью инактивируется одна из Х-хромосом. Она конденсируется, переходя в неактивное состояние, превращаясь в тельце Барра (рис.1). Процесс инактивации Х-хромосомы называется дозовой компенсацией.

рис.1 Клеточное ядро самки с тельцем Барра - конденсированная Х-хромосома на фоне деконденсированных хромосом в интерфазе

Имеется два вида инактивации - специфическая, когда инактивируется определенная Х-хромосома, например только отцовская Х-хромосома у сумчатых (кенгуру), и случайная, когда выбор того, какая Х-хромосома будет инактивирована случаен (плацентарные млекопитающие). Хотя во внезародышевых органах плацентарных также происходит специфическая инактивация.
Центром инактивации является участок Х-хромосомы, называемый Xic (рис.2, 3), имеющий длину по разным данным 35, 80 тпн, или даже больше, что зависит от рассматривания прилежащих последовательностей, участвующих в регуляции инактивации. Xic содержит, как минимум, Xist - ген, кодирующий нетранслируемую RNA, Tsix - антисмысловой локус, содержащий различно метилируемый минисателлитный маркер DXPas34. Так же, очевидно, в формировании Xic участвует последовательность на 3' конце Xist. Вероятно, что другие регулирующие последовательности лежат дальше 3' конца гена Xist. Один из таких регуляторов содержит Xce локус, открытый как модификатор выбора Х-хромосомной инактивации.

рис. 2 (A) На рисунке показаны основные элементы инактивирующего центра, гены Xist и антисмысловой ген Tsix, соседние гены Tsx, Brx и Cdx. Предполагаемые участки, ответственные за выбор (красн.), счет дозы хромосом (желт.), и Xce (син.). Предполагаемые участки 35 kb и 80 kb мышиного Xic. (B) Этапы инактивации Х-хромосомы.

рис.3 Транскрипционная карта Xic района у мыши и человека. Показано 11 генов мышиного Xic района: Xpct, Xist, Tsx, Tsix, Chic1, Cdx4, NapIl2, Cnbp2, Ftx, Jpx и Ppnx. Гены, кодирующие белки, показаны желтым. РНК четырех из 11 генов Xist, Tsix, Ftx и Jpx нетранслируются, показаны красным. Гены, обнаруженные у мышей и человека, консервативны, кроме Ppnx и Tsix. Tsx у человека стал псевдогеном. Человеческий Xic длиннее мышиного примерно в три раза. Не смотря на такую разницу в размерах, расположение и ориентация генов одинакова. Исключением является Xpct, который имеет одинаковое положение, но инвертированную ориентацию. Места диметилирования лизина 9 в гистоне H3 и гиперацетилирования H4 показаны синим и зеленым под транскрипционной картой. Отдельно показаны минимальный промотор гена Xist, занимающий позицию -81- +1, и регуляторный элемент - сайленсер.

Инактивация разделяется на стадии: определение дозы, выбор, инициация, устанавливание и поддержание. Эти процессы являются генетически различными и все они, кроме поддержания, контролируются Xic.
Во время счета дозы клетка определяет число Х-хромосом относительно числа аутосом. Помимо локусов на аутосомах в этом этапе принимает участие участок за 3' конце Xist.
Во время выбора происходит определение того, какая из двух Х хромосом будет инактивирована. В этом процессе принимает участие последовательности в пределах Xist, Tsix и Xce.

Выбор того, какая Х-хромосома инактивируется, случаен, но это может регулироваться аллелями Xce (X-linced X controlling element). В различных мышиных линиях было обнаружено три таких аллеля - слабый Xcea, промежуточный Xceb и сильный Xcec. В гетерозиготах наиболее часто инактивируются те, которые несут более слабый аллель. Например, степень инактивации у гетерозигот Xcea/Xcec приблизительно 25:75. У гомозигот выбор происходит случайно. Xce локус расположен вблизи Xic. Предполагается, что Xce связывают транс-факторы, регулирующие работу генов в Xic, предопределяя выбор между Х-хромосомами. Инактивацию Х-хромосом можно увидеть, используя мышей с мутацией по гену окраски шерсти (например brindled) на одной Х-хромосоме и нормальный ген на другой. Клетки дикого типа дают черный цвет, а мутантные белый. (рис.4)

рис.4 Визуализация инактивации определенной Х хромосомы.

В недифференцированных клетках изначально гены Xist и Tsix экспрессируются одновременно на каждой Х-хромосоме. Но позже на одной из Х-хромосом репрессируется ген Tsix, что ведет к увеличению уровня экспрессии Xist. РНК Xist присоединяет различные белки, образуя комплексы, которые распределяются вдоль всей Х-хромосомы, запуская ее инактивацию. На другой хромосоме не происходит репрессии гена Tsix и его антисмысловая РНК связывает РНК Xist, блокируя ее накопление (рис.5). Такая хромосома останется в активном состоянии. РНК гена Xist не способна переходить с одной Х-хромосомы на другую.

Рис.5 Модель работы Tsix. (A) Во время транскрипции Tsix блокируется транскрипция Xist. (B) Транскрипция Xist подавлятеся антисмысловой ориентацией RNA-полимеразы и всего транскрипционного комплекса. (С) Сайты, к которыми присоединяются РНК Xist-связывающие белки, могут блокироваться слиянием смысловой и антисмысловой РНК. (D) Появление нестабильного комплекса слившихся смысловой и антисмысловой РНК.

На более поздних этапах происходит замена H2A гистона его аналогом macro H2A (см. обзор Гистоны) и метилирование H3K27, участие различных транс-факторов, CpG метилирование ДНК в промоторах. В конечном итоге происходит установление гетерохроматина по общей концепции (см. обзор Гетерохроматин). Поддержание инактивации.
Инициация инактивации контролируется эксперссией Xist и, однажды установившись, инактивированное состояние больше не зависит от Xic и Xist. На гибридах человеческих и мышиных клеток показвно, что при делеции гена Xist человеческая Х-хромосома поддерживает инактивированное состояние, что указывает на независимое от Xist поддержание инактивации Х-хромосомы. Хотя присутствие Xist после установления инактивации стабилизирует ее.

Инактивация Х-хромосомы у Drosophila

Сокращения:
Xic - Х inactivation centre -Центр инактивации Х-хромосомы.
Xi -X inactive - инактивируемая Х хромосома.
Xa - X-active - активируемая Х хромосома.

Инактивация X-хромосомы: варианты, механизмы

Анеуплоидия по Х-хромосоме — одна из наиболее частых онтогенетических аномалий. Относительная устойчивость кариотипа человека к хромосомным аномалиям Х-хромосомы может объясняться инактивацией Х-хромосомы, процессом, эпигенетически подавляющим большинство генов в одной из двух Х-хромосом у женщин, не давая им производить какие-либо продукты. Здесь мы обсудим хромосомный и молекулярный механизмы инактивации Х-хромосомы.

Инактивация Х-хромосомы. Теория инактивации Х-хромосомы гласит, что в соматических клетках здоровых женщин (но не у мужчин) одна Х-хромосома инактивируется в начале эмбрионального развития, уравнивая таким образом экспрессию генов этой хромосомы у двух полов. В нормальных женских клетках выбор инактивируемой Х-хромосомы произволен, а затем поддерживается в каждом клоне клетки.

Таким образом, женщины мозаичны по экспрессии Х-сцепленных генов; некоторые клетки экспрессируют аллели, унаследованные от отца, другие клетки — от матери. Этот образец экспрессии генов отличает большинство Х-сцепленных генов от импринтируемых генов (также экспрессирующих только один аллель, но определяемых родительским началом не случайно), а также от большинства аутосомных генов, экспрессирующих оба аллеля.

Хотя неактивная Х-хромосома сначала была обнаружена цитологически по присутствию гетерохроматиновой массы (названной тельцем Барра) в интерфазных клетках, существует много эпигенетических характеристик, различающих активные и неактивные Х-хромосомы. Проливая свет на механизмы Х-инактивации, эти особенности могут быть диагностически значимыми для установления неактивной Х-хромосомы в клиническом материале.

Хромосомные характеристики Х-инактивации:
- Инактивация большинства генов, расположенных на неактивной Х-хромосоме
- Произвольный выбор одной из двух Х-хромосом в женских клетках

- Неактивная Х-хромосома:
а) гетерохроматиновая (тельце Барра)
б) поздно реплицируется в S фазе
в) экспрессирует XIST-PHK
г) связана с модификациями гистона macroH2A в хроматине

Для уравновешивания экспрессии Х-хромосомы у самок и самцов используются различные способы компенсации дозы гена.

Область промотора многих генов в неактивной Х-хромосоме существенно модифицируется присоединением метильной группы к цитозину при действии фермента ДНК-метилтрансферазы. Как уже упоминалось в контексте геномного импринтинга в главе 5, такое метилирование ДНК связано с CpG динуклеотидами и приводит к неактивному состоянию хроматина. Дополнительные различия между активными и неактивными Х-хромосомами связаны с гистоновым кодом и оказались существенной частью механизма Х-инактивации.

Например, содержание варианта гистона macroH2A очень возрастает в неактивном хроматине Х-хромосом и позволяет различить две хромосомы в женских клетках.

У пациентов с дополнительными Х-хромосомами все Х-хромосомы, кроме одной, инактивируются. Таким образом, все диплоидные соматические клетки как у мужчин, так и у женщин, имеют единственную активную Х-хромосому, независимо от общего числа Х- или Y-хромосом.

Хотя инактивация Х-хромосомы, несомненно, является хромосомным феноменом, не все гены в Х-хромосоме подвергаются инактивации. Расширенный анализ экспрессии почти всех генов Х-хромосомы показал, что по крайней мере 15% генов избегают инактивации и экспрессируются как в активных, так и неактивных Х-хромосомах . Кроме того, еще для 10% генов показана переменная инактивация; т.е. они избегают инактивации у одних женщин, но инактивируются у других.

Примечательно, что эти гены не распределены произвольно по Х-хромосоме: большинство генов, избегающих инактивации, расположены на плече Хр (до 50%), по сравнению с Xq (несколько процентов). Данный факт имеет большое значение для генетического консультирования в случаях частичной хромосомной анеуплоидии X, так как дисбаланс генов на Хр может иметь большее клиническое значение, чем дисбаланс Xq.

Инактивация Х-хромосомы включает этап стабилизации Xist РНК,
которая покрывает неактивную хромосому.

Центр Х-инактивации и ген XIST

При исследованиях структурно аномальных инактивированных Х-хромосом был картирован центр Х-инактивации в проксимальном отделе Xq, в полосе Xql3. Центр Х-инактивации содержит необычный ген XIST (англ. Xinactivate specific transcripts; специфическая транскрипция инактивированной Х-хромосомы), оказавшийся ключевым управляющим локусом Х-инактивации. Ген XIST имеет новую характеристику: он экспрессируется только в аллеле на неактивной Х-хромосоме; он отключен на активной Х-хромосоме как в мужских, так и в женских клетках.

Хотя точный способ действия гена XIST неизвестен, Х-инактивация не может происходить в его отсутствие. Продукт XIST — некодирующая белок РНК, остающаяся в ядре в тесной ассоциации с неактивной Х-хромосомой и тельцем Барра.

Неслучайная инактивация Х-хромосомы

Х-инактивация в норме происходит в женских соматических клетках случайным образом и приводит к мозаицизму по двум популяциям клеток, экспрессирующих аллели одной или другой Х-хромосомы. Тем не менее существуют исключения из этого правила, когда в кариотипе имеются структурно аномальные Х-хромосомы. Например, почти у всех пациентов с несбалансированными структурными аномалиями Х-хромосомы (включая делеции, дупликации и изохромосомы) структурно аномальная хромосома всегда неактивна, что, вероятно, отражает вторичный отбор против генетически несбалансированных клеток, которые могли бы привести к значимым клиническим аномалиям.

Из-за преимущественной инактивации аномальной Х-хромосомы такие аномалии Х-хромосомы имеют меньшее влияние на фенотип, чем аналогичные аномалии аутосом, и, следовательно, более часто обнаруживаются.

Неслучайную инактивацию наблюдают также в большинстве случаев транслокаций X на аутосому. Если такая транслокация сбалансирована, избирательно инактивируется нормальная Х-хромосома, и две части транслоцированной хромосомы остаются активными, вероятно, снова отражая отбор против клеток с неактивированными аутосомными генами. В несбалансированном потомстве сбалансированного носителя, тем не менее, присутствует только продукт транслокации, несущий центр Х-инактивации, и такая хромосома неизменно инактивируется; нормальная Х-хромосома всегда активна.

Эти неслучайные образцы инактивации имеют общий эффект снижения, хотя и не всегда устранения, клинических последствий конкретного хромосомного дефекта. Поскольку образцы Х-инактивации хорошо согласуются с клиническим результатом, определение цитогенетическим или молекулярным анализом индивидуального образца Х-инактивации показано во всех случаях транслокации X и аутосом.

Одна закономерность, иногда наблюдающаяся у сбалансированных носителей транслокаций Х-хромосомы на аутосому, проявляется тем, что сам разрыв может вызывать мутации, нарушая ген в точке транслокации. Единственная нормальная копия конкретного гена инактивируется в большинстве или всех клетках из-за неслучайной инактивации нормальной Х-хромосомы, таким образом приводя к экспрессии у женщины сцепленного с полом признака, обычно наблюдающегося только у гемизиготных мужчин.

Выявлено несколько Х-сцепленных генов, когда типичный фенотип сцепленного с полом состояния обнаруживали у женщин с доказанной транслокацией Х-хромосомы на аутосому. Главный клинический вывод из этой информации — если женщина проявляет сцепленный с полом фенотип, обнаруживаемый обычно только у мужчин, показан хромосомный анализ с высоким разрешением. Обнаружение сбалансированной транслокации может объяснить фенотипическую экспрессию и выявить вероятную позицию гена на карте Х-хромосомы.

Мозаичный эффект, связанный с Х-хромосомой, вызывается случайной инактивацией одной Х-хромосомы в каждой клетке-предшественнице.
Клетки, у которых + аллель находится на активной хромосоме, обладают диким фенотипом, но клетки,
у которых на активной хромосоме находится аллель, приобретают мутантный фенотип.

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

Инактивация X-хромосомы - процесс, в ходе которого у лиц женского пола лайонизируется (инактивируется, становится неактивной) одна из двух копий X-хромосом.

Синонимы: Инактивация X; Инактивация X-хромосомы; Инактивация хромосомы X; Неслучайная инактивация. X-chromosome inactivation; X-inactivation; X chromosome inactivation (XCI).

Краткое описание исследования Определение неравновесной лайонизациии Х-хромосомы при Х-сцепленных рецессивных заболеваниях у девочек

Гены на Х-хромосоме присутствуют в двух копиях у женщин и в одной копии у мужчин. У женщин соматические клетки подвергаются инактивации X-хромосомы (также называемой X-инактивацией или лайонизацией). Инактивированная Х-хромосома становится тельцем Барра, в котором значительно тормозится или совсем прекращается экспрессия генов. Выбор того, какая Х-хромосома будет инактивирована (от матери или от отца), является случайным.

В норме в клетках должны инактивироваться 50% Х-хромосом материнского и 50% отцовского происхождения. Но такое соотношение соблюдается не всегда. Соотношение может составлять 40/60%, 30/70%, 10/90% и др.

В некоторых случаях возникает необходимость определить такое соотношений. Этот анализ может понадобиться в том случае, если у девочки/женщины есть клинические признаки заболевания с Х-сцепленным рецессивным типом наследования (например, прогрессирующая миодистрофия Дюшенна/Беккера, гемофилия А), которыми они, как правило, не болеют, даже если являются носительницами патогенной мутации. Девочки/женщины не имеют клинических симптомов Х-сцепленных рецессивных заболеваний, так как у них есть вторая Х-хромосома, которая несет аналогичный ген без мутации.

Но если происходит неравновесная инактивация Х-хромосомы, с преимущественной инактивацией Х-хромосомы, несущей нормальный ген, могут возникнуть симптомы заболевания, которые обычно менее выражены, чем у больных мальчиков.

Для объяснения симптомов такого рода заболеваний у девочек служит анализ на неравновесную инактивацию Х-хромосомы.

В основе процесса инактивации лежат различные эпигенетические механизмы. Для выявления соотношения инактивированных Х-хромосом используется метод определения количества тринуклеотидных повторов в гене AR, расположенном на Х-хромосоме. Как правило, в хромосомах отцовского и материнского происхождения бывает разное число таких повторов. Определяют соотношение клеток с разным количеством повторов.

ИНВИТРО гарантирует конфиденциальность и неразглашение предоставляемой пациентом информации в соответствии с законодательством Российской Федерации.

В каких случаях проводят Определение неравновесной лайонизациии Х-хромосомы:

подозрение на Х-сцепленное рецессивное заболевание у лица женского пола при обнаружении носительства патогенного генетического варианта.

Интерпретация результатов исследований содержит информацию для лечащего врача и не является диагнозом. Информацию из этого раздела нельзя использовать для самодиагностики и самолечения. Точный диагноз ставит врач, используя как результаты данного обследования, так и нужную информацию из других источников: анамнеза, результатов других обследований и т.д.

Трактовка результатов исследования на Определение неравновесной лайонизациии Х-хромосомы

*Заполнение «анкеты молекулярно-генетического исследования» необходимо для того, чтобы врач-генетик, на основании полученных результатов, во-первых, имел бы возможность выдать пациенту максимально полное заключение и, во-вторых, сформулировать для него конкретные индивидуальные рекомендации. ИНВИТРО гарантирует конфиденциальность и неразглашение предоставляемой пациентом информации в соответствии с законодательством Российской Федерации.

Читайте также: