Инактивированная хромосома это

Инактивация X-хромосомы

Инактивированная хромосома это
Черепаховая окраска самок кошек является видимым примером инактивации X-хромосомы. Чёрный и оранжевый аллели гена окраски меха располагаются на X-хромосоме. Окраска конкретного участка меха определяется тем, какой из аллелей гена активен в данном участке.

Ядро клетки самки. у: при помощи FISH определяются обе X-хромосомы. Внизу: окрашивание ДНК (DAPI). Тельце Барра (инактивированная X-хромосома) показано стрелкой. Интерфазный фибробласт женщины.[1] Слева: окраска ядра DAPI. Справа: окраска на гистоны.

Стрелки указывают на тельца Барра.

Инактивация X-хромосомы (англ. X-inactivation, lyonization) — процесс, в ходе которого инактивируется одна из двух копий X-хромосом, представленных в клетках самок млекопитающих.

ДНК неактивной X-хромосомы упаковывается в транскрипционно неактивный гетерохроматин.

Инактивация X-хромосомы происходит в клетках самок млекопитающих для того, чтобы с двух копий X-хромосом не образовывалось вдвое больше продуктов соответствующих генов, чем у самцов млекопитающих.

Такой процесс называется дозовой компенсацией генов. У плацентарных выбор X-хромосомы, которая будет инактивирована, случаен (что показано для клеток мышей и человека).

Инактивированная X-хромосома будет оставаться неактивной во всех последующих дочерних клетках, образующихся в результате деления.

История

В 1959 году Сусуму Оно показал, что одна из двух X-хромосом у самок вела себя как аутосома, а другая находилась в состоянии гетерохроматина.[2] Двумя группами исследователей независимо друг от друга было предположено, что одна из двух X-хромосом подвергается инактивации.

В 1961 году Мэри Лайон предположила, что инактивация одной из X-хромосом у самок обуславливает пятнистую окраску шерсти мышей у особей, гетерозиготных по генам окраски.

[3] Гипотеза Лайон об инактивации одной X-хромосомы в клетках самок млекопитающих объясняла также тот факт, что мыши лишь с одной X-хромосомой имеют фенотип самки. Эрнест Бейтлер (англ.

 Ernest Beutler), изучая гетерозиготных самок, дефицитных по ферменту дегидрогеназе глюкозо-6-фосфатазы, независимо от Лайон, предположил существование у гетерозиготных организмов двух типов эритроцитов — дефицитных по ферменту и нормальных.[4]

Механизм

На стадии двух или четырёхклеточного зародыша мыши происходит инактивация отцовской X-хромосомы по механизму импринтинга.[5][6][7] На стадии ранней бластоцисты в клетках внутренней клеточной массы становятся активными обе X-хромосомы.

Затем во всех клетках внутренней клеточной массы бластоцисты необратимо и независимо друг от друга инактивируется одна из X-хромосом. Инактивированная на этой ранней стадии развития зародыша, X-хромосома затем будет инактивирована во всех соматических клетках-потомках этой клетки.

Инактивация X-хросомомы снимается в клетках зародышевого пути самки, и поэтому все ооциты содержат обе активные X-хромосомы.

Показано, что нормальным состоянием для X-хромосомы в клетках млекопитающих является инактивированное состояние, так как в организмах или клетках, содержащих более, чем две X-хромосомы, активной является лишь одна, в то время как остальные X-хромосомы неактивны.

Показано наличие на X-хромосомах участка центр инактивации X-хромосомы — XIC (от англ. X inactivation center). Наличие центра инактивации необходимо и достаточно для инактивации X-хромосомы.

Транслокация участка хромосомы, содержащего XIC на аутосому, приводит к инактивации соответствующей аутосомы, в то время как X-хромосомы, не имеющие XIC, остаются активными.

Эволюция механизмов инактивации X-хромосомы у млекопитающих. Xi — инактивированная X-хромосома

Участок XIC содержит два гена некодирующих РНК, которые не транслируются в белок — Xist и Tsix, принимающие участие в инактивации X-хромосомы. Также XIC содержит сайты связывания соответствующих регуляторных белков.

Некодирующие РНК Xist и Tsix

Основные статьи: Xist, Tsix

Xist представляет собой ген, кодирующий молекулу длинной некодирующей РНК, который опосредует специфическую инактивацию той X-хромосомы, с которой он был транскрибирован.

[8] Неактивная X-хромосома покрыта РНК, транскрибированной с гена Xist,[9] активная X-хромосома такой РНК не покрыта. Ген Xist экспрессируется только с неактивной X-хромосомы, хромосомы, не содержащие ген Xist, не могут быть инактивированы. [10] Искусственное перемещение гена Xist на другие хромосомы и его экспрессия, приводит к инактивации других хромосом.[11][12]

До момента инактивации обе X-хромосомы слабо экспрессируют РНКовый продукт гена Xist, в ходе процесса инактивации экспрессия Xist на активной хромосоме снижается, а на инактивированной — увеличивается.

Продукт гена Xist постепенно покрывает инактивированную хромосому, начиная от участка XIC;[11] Сайленсинг генов инактивированной хромосомы начинается вскоре после того, как хромосома становится покрытой транскриптом гена Xist.

Tsix представляет собой длинную молекулу РНК, не кодирующую белок. Транскрипт Tsix является антисмысловым к транскрипту гена Xist, то есть транскрибируется с противоположной цепи ДНК того же гена.[13] Tsix является негативным регулятором Xist; X-хромосомы, не экспрессирующие Tsix и имеющие поэтому повышенный уровень экспрессии Xist, инактивированы намного чаще, чем обычные хромосомы.

Как и в случае с геном Xist, перед инактивацией обе X-хромосомы слабо экспрессируют РНК гена Tsix с соответствующего гена. После начала инактивации X-хромосомы будущая инактивированная хромосома прекращает экспрессировать РНК Tsix, в то время как активная хромосома продолжает экспрессировать Tsix ещё несколько дней.

Тельце Барра

Основная статья: Тельце Барра

Тельцем Барра называют X-хромосому, ДНК которой находится в состоянии гетерохроматина.[14] Тельце Барра содержит продукт гена Xist, обычно располагается на периферии ядра, ДНК тельца Барра поздно реплицируется.

Примечания

  1. ↑ Gartler SM, Varadarajan KR, Luo P, Canfield TK, Traynor J, Francke U, Hansen RS (2004). «Normal histone modifications on the inactive X chromosome in ICF and Rett syndrome cells: implications for methyl-CpG binding proteins». BMC Biology2: 21. DOI:10.1186/1741-7007-2-21. — Figure 1
  2. ↑ Ohno S, Kaplan WD, Kinosita R (1959).

    «Formation of the sex chromatin by a single X-chromosome in liver cells of rattus norvegicus.». Exp Cell Res18: 415–9. DOI:10.1016/0014-4827(59)90031-X. PMID 14428474.

  3. ↑ Lyon MF (1961). «Gene Action in the X-chromosome of the Mouse (Mus musculus L.)» (abstract). Nature190 (4773): 372–3. DOI:10.1038/190372a0.

    PMID 13764598.

  4. ↑ Beutler E, Yeh M, Fairbanks VF (January 1962). «The normal human female as a mosaic of X-chromosome activity: Studies using the gene for G-6-PD-deficiency as a marker». Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.48: 9–16. PMID 13868717.
  5. ↑ Takagi N, Sasaki M (1975).

    «Preferential inactivation of the paternally derived X chromosome in the extraembryonic membranes of the mouse». Nature256: 640–2. DOI:10.1038/256640a0. PMID 1152998.

  6. ↑ Cheng MK, Disteche CM (2004). «Silence of the fathers: early X inactivation». BioEssays26 (8): 821–4. DOI:10.1002/bies.20082. PMID 15273983.

  7. ↑ Okamoto I, Otte A, Allis C, Reinberg D, Heard E (2004). «Epigenetic dynamics of imprinted X inactivation during early mouse development». Science303 (5658): 644–9. DOI:10.1126/science.1092727. PMID 14671313.
  8. ↑ Hoki Y, Kimura N, Kanbayashi M, Amakawa Y, Ohhata T, Sasaki H, Sado T (2009).

    «A proximal conserved repeat in the Xist gene is essential as a genomic element for X-inactivation in mouse.» (abstract). Development136: 139–46. DOI:10.1242/dev.026427. PMID 19036803.

  9. ↑ Ng K, Pullirsch D, Leeb M, Wutz A (2007). «Xist and the order of silencing» (Review Article). EMBO Rep8: 34–9. DOI:10.1038/sj.embor.

    7400871. PMID 17203100. “Figure 1 Xist RNA encompasses the X from which it is transcribed.”

  10. ↑ Penny GD, Kay GF, Sheardown SA, Rastan S, Brockdorff N (1996). «Requirement for Xist in X chromosome inactivation». Nature379: 116–7. DOI:10.1038/379131a0. PMID 8538762. Проверено 2009-03-19.

  11. 12 Herzing LB, Romer JT, Horn JM, Ashworth A (1997). «Xist has properties of the X-chromosome inactivation centre». Nature386: 272–5. DOI:10.1038/386272a0. PMID 9069284. Проверено 2009-03-19.
  12. ↑ Lee JT, Jaenisch R (1997). «Long-range cis effects of ectopic X-inactivation centres on a mouse autosome».

    Nature386: 275–9. DOI:10.1038/386275a0. PMID 9069285. Проверено 2009-03-19.

  13. ↑ Lee JT, Davidow LS, Warshawsky D (1999). «Tisx, a gene antisense to Xist at the X-inactivation centre». Nat Genet21: 400–4. DOI:10.1038/7734.
  14. ↑ Barr ML, Bertram EG (1949).

    «A Morphological Distinction between Neurones of the Male and Female, and the Behaviour of the Nucleolar Satellite during Accelerated Nucleoprotein Synthesis». Nature163 (4148): 676–7. DOI:10.1038/163676a0.

Литература

Источник: https://wikepedia.me/%D0%98%D0%BD%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F_X-%D1%85%D1%80%D0%BE%D0%BC%D0%BE%D1%81%D0%BE%D0%BC%D1%8B

История открытия

Открытию инактивации X-хромосомы Мэри Лайон в 1961 году предшествовала серия открытий в цитогенетике.

Работы Теодора Бовери (англ. Theodor Heinrich Boveri) 1888 привели сильные доводы в поддержку гипотезы, что именно хромосомы являются носителями генетической информации в клетке. Уже 1905 Натти Стивенс (англ. Nettie Maria Stevens) предложила теорию, половые хромосомы отличаются у разных полов.

Эдмунд Уилсон (англ. Edmund Beecher Wilson) сделал аналогичное открытие независимо 1905 года. 1949 году работы Мюррея Барра (англ.

Murray Llewellyn Barr) доказали, что пол дифференцированных соматических клеток модельных объектов может быть определено путем подсчета структур в ядре, которым дали название тельца Барра.

1959 Сусуму Оно (англ. Susumu Ohno) установил, что тельца Барра — то есть X-хромосома. 1959 В. Вельшонс (англ. WJ Welshons) и лианы Расселл (англ. Liane B. Russell) доказали, что мыши-моносомиком по X-хромосоме, X0, — фенотипически нормальные, способные к размножению самки, навело на мысль, что только одной X-хромосомы достаточно для нормального развития.

Мере Лайон (англ. Mary F. Lyon) 1961 изучала окраски меха мышей, что является признаком, сцепленной с полом, и кодируется в X-хромосоме.

Она установила, что самцы XY всегда окрашены монотонно, тогда как самки XX могут быть фенотипическими мозаиками — иметь разноокрашенных мех, а самцы XXY также могут иметь различную окраску меха.

Таким образом Мэри Лайон установила, что неактивная X-хромосома (у тельцах Барра), может быть как родительской, так и материнского происхождения.

По случаю 50 лет открытия инактивации X-хромосомы в июле 2011 года была проведена конференция Европейской Организации Молекулярной Биологии.

Механизм инактивации

У большинства млекопитающих, самки имеют две Х-хромосомы, в то время как самцы имеют одну Х-хромосому и одну Y-хромосому.

Y-хромосома определяет пол в раннем эмбриональном периоде путем экспрессии транскрипционного фактора, кодируется SRY геном, который включает каскад реакций, приводящих к фенотипу самца. При отсутствии SRY развивается фенотип самки.

У самцов (XY) и самок (XX) возникает неравновесие в дозе генов, особенно учитывая, что Y-хромосома намного меньше Х-хромосому, и кодирует лишь небольшое количество генов. Инактивация X-хромосомы балансирует такую ​​неравновесие.

Одна из Х-хромосом в клетках самок выключается эпигенетически, то есть последовательность нуклеотидов в ДНК не меняется.

Вместо этого образуется плотный гетерохроматин — физико-химическое состояние всей хромосомы или ее части, в котором затруднена взаимодействие факторов транскрипции с ДНК — и процесс считывания РНК с этой хромосомы не происходит.

Образование гетерохроматина происходит с помощью метилирования ДНК и модификации гистонов белков, а при инактивации Х-хромосомы важную роль играют длинные некодирующие РНК.

Процесс инактивации X-хромосомы состоит из нескольких этапов:

  • подсчет X-хромосом;
  • выбор хромосомы для инактивации;
  • начало инактивации;
  • поддержания X-хромосомы в неактивном состоянии.

В дальнейшем неактивная X-хромосома остается стабильно заглушенной. В этом важную роль играет метилирования ДНК — эпигенетический процесс, заключающийся в добавлении метильной группы к нуклеотида цитозина. Такая биохимическая изменение может поддерживаться долгое время и влиять на активность генов.

Компоненты гетерохроматина неактивной X-хромосомы отличаются от гетерохроматина в других хромосомах. На неактивной X-хромосоме найден вариант гистонов белка macroH2A, и белок Trithorax. Также установлено, что, в отличие от других хромосом, белковые компоненты неактивной X-хромосомы распределены равномерно по всей ее длине.

Изучение инактивации X-хромосомы пролило свет на несколько молекулярно-биологических процессов: роль длинных некодирующих РНК, геномный импринтинг и соматическое спаривания хромосом у млекопитающих.

Методика RAP-MS (англ. RNA antisense purification followed by quantitative mass spectrometry) позволяет изучать in vivo взаимодействие белков и длинных некодирующих РНК.

С помощью RAP-MS в 2015 году установили, что для размещения днРНК Xist на хромосоме, необходимо действие белка SAFA (англ. Scaffold attachment factor A). Кроме этого, исключение (нокдаун) генов, кодирующих белки, SHARP (англ. SMRT and HDAC1-associated repressor protein) и LBR (англ.

Lamin-B receptor) приводило к остановке инактивации X-хромосомы в опытах над эмбриональными стволовыми клетками мышей.

При размещении Xist на X-хромосоме с этой хромосомой уже не соединяется РНК-полимераза II — полимераза, которая транскрибирует большинство мРНК.

Исключение гена, кодирующего SAFA приводило к хаотическому размещения Xist, тогда как исключение гена, кодирующего белок SHARP приводило к возвращению РНК-полимеразы II. Также белок SHARP взаимодействует с белками-ремодуляторамы структуры хроматина, такими как гистондеацетилазы.

Причем, исключение гистондеацетилазы 3 (HDAC3), а не других видов гистондеацетилаз, приводило к нарушению механизма инактивации X-хромосомы.

Важным элементом инактивации является действие репрессивного комплекса Polycomb, PRC2 (англ. Polycomb repressive complex 2), однако действие комплекса PRC2 не важна при инициации процесса инактивации, скорее в поддержании хромосомы в инактивированном состоянии — триметилюванни 27 лизина H3 гистона (H3K27me3 см табличку “Сравнение еу- и гетерохроматина “)

ЦИX — центр инактивации X-хромосомы

Исследования на мышиных моделях установили, что для инактивации X-хромосомы нужна особая участок — центр инактивации X-хромосомы, ЦИX (англ. XIC, X inactivation centre).

Центр инактивации X-хромосомы состоит примерно из миллиона пар оснований, имеет несколько элементов, участвующих в инактивации X-хромосомы, и содержит по крайней мере четыре гена. Для начала инактивации нужно два таких центра, по одному на каждой хромосоме, и необходимо, чтобы между ними была связь.

Взаимодействие между двумя гомологичными X-хромосомами происходит в центре инактивации. Но остается открытым вопрос, что именно является причиной, а что следствием: или сближение хромосом приводит к началу инактивации, или наоборот.

Xist

В пределах участка центра инактивации X-хромосомы закодировано ген Xist (англ. X-inactive specific transcript), который транскриптуеться в длинную некодирующих РНК Xist.

Xist покрывает ту X-хромосому, что будет неактивной (сначала в зоне ЦИX, а затем — по всей длине хромосомы).

В процессе эмбрионального развития Xist экспрессируется с обеих хромосом, но потом в одной X-хромосоме экспрессия Xist прекращается (и именно эта хромосома останется активной). Подавление экспрессии Xist совпадает по времени с началом инактивации X-хромосомы.

При гетерозиготной мутации Xist, то есть такой, когда нормальный Xist есть только на одной из двух гомологичных хромосом, и X-хромосома, в которой есть мутантный Xist, а не инактивируется.

Tsix

С локуса центра инактивации X-хромосомы считывается антизмистовний транскрипт с комплементарной цепи ДНК того же гена Xist. Такой нкРНК дали название Tsix (Xist написан задом-наперед), и установили, что Tsix — отрицательный регулятор Xist, и его экспрессия необходима для поддержки X-хромосомы в активном состоянии.

Много трудов указывают на то, что именно соотношение Tsix / Xist важно для выбора, который аллель будет глушиться, и, соответственно, какую хромосому будет инактивированная.

Есть данные, что именно Tsix приводит к ассоциации двух гомологичных X-хромосом, и экспрессия Tsix РНК является необходимым, но не достаточным условием для подсчета и выбора хромосомы для инактивации

Tsix стала первой известной антизмистовною РНК млекопитающих, встречается в природе и имеет четкую функцию in vivo.

Дополнительные регуляторы

В зоне центра инактивации X-хромосомы найдено большое количество участков, которые влияют на процесс ИXХ.

Такие участки влияют на процесс инактивации X-хромосомы как в цис, так и в транс-положении, то есть как на одной и той же хромосоме, на которой они расположены (цис-регуляторный элемент), так и на другой (транс-регуляторный элемент ). Многие некодирующих РНК влияют на активность Xist и Tsix (Jpx, Ftx и Tsx).

Xite

Xite (англ. X-inactivation intergenic transcription element) — еще один некодирующих транскрипт, который расположен перед Tsix и действует как усилитель экспрессии Tsix на будущий активной X-хромосоме.

LINE1

В геноме человека значительную часть всей последовательности ДНК составляют так называемые транспозонов, или мобильные элементы генома.

Часть их является Ретротранспозон (у человека Ретротранспозон занимают до 42% генома) — мобильными элементами, которые копируют и вставляют себя в геном с помощью транскрипции с ДНК на РНК, а затем обратной транскрипции с РНК в ДНК. LINE1 (англ.

Long Interspersed Nuclear Elements) — один из активных ретротранспозонов у человека. LINE1 встречается в X-хромосоме гораздо чаще, чем в других хромосомах. Есть работы, которые указывают на участие РНК LINE1 в инактивации X-хромосомы.

Серия активаций и инактиваций X-хромосом

На начальных стадиях развития разница, какого происхождения X-хромосома, родительского или материнского. С начала эмбриогенеза X-хромосома отцовского происхождения всегда неактивна. В этом процессе важную роль играет геномный импринтинг. Затем, в период формирования бластулы обе X-хромосомы активируются.

В дальнейшем развитии в эмбриональных клетках инактивация X-хромосом происходит в произвольном порядке, независимо от происхождения X-хромосом.

Но в позаембриональних тканях (включая трофобластом, что формирует большую часть плаценты) активной остается только X-хромосома от матери, а родительская X-хромосома инактивируется.

Далее в зародыше при формировании будущих половых клеток (гаметогенез) происходит следующий этап активаций X-хромосом перед мейотического деления. Каждая из X-хромосом получает постоянную импринтну метку, указывающую, которого она происхождения.

Гены, считываются с неактивной X-хромосомы

Некоторые гены, расположенные на неактивной X-хромосоме, избегают подавления и экспрессируются с обеих X-хромосом.

В человеческой линии фибробластов 15% генов, расположенных на неактивной X-хромосоме, в той или иной степени экспрессируются.

Уровень считывания этих генов сильно зависит от того, в какой части хромосомы они закодированы. Такие гены приводят к многообразию, которое зависит от пола и типа ткани.

Инактивация X-хромосомы у разных видов

Основные работы по изучению инактивации X-хромосомы было сделано на мышах. В последние годы поступает все больше данных, мышиная модель инактивации X-хромосомы отличается от других млекопитающих.

У кроликов и людей Xist -гомолог не подлежит импринтинга, Xist считывается с обеих хромосом. У кроликов это может включить процесс ИXХ на обоих X-хромосомах.

Более того, X-хромосомы у многих видов имеют достаточно специфический набор генов: такие гены имеют низкий уровень экспрессии в соматических тканях, но высокий уровень экспрессии — в тканях, участвующих в репродуктивных функциях организма (например, яичники).

XACT РНК у человека

2013 исследователи РНК человека обнаружили длинную некодирующих РНК XACT (англ. X-active coating transcript), что связывается с активной X-хромосомой.

XACT экспрессируется с активной X-хромосомы, но при дифференциации глушится, и уже в дифференцированных клетках (таких , как фибробласты) XACT РНК нет.

При отсутствии XIST -РНК, XACT экспрессируется с обеих X-хромосом у человека, но не в мыши.

Сумчатые

У сумчатых форуме Xist -РНК и неизвестно, как происходит процесс инактивации X-хромосомы. Но у одного из видов опоссумов, Monodelphis domestica, найдено длинную некодирующих РНК Rsx (англ. RNA-on-the-silent X), которая похожа по функциям с Xist и участвует в инактивации X-хромосомы.

Случайность выбора X-хромосомы

Ранее считалось, что выбор хромосомы для инактивации полностью случайный, и каждая из двух гомологичных X-хромосом будет инактивированная с вероятностью 50%.

Но появились публикации, доказывающие, что в некоторых модельных организмах генетические факторы влияют на выбор. Так, у мышей существуют регуляторные элементы (англ.

Xce, X-controlling element), которые имеют три аллельные формы, и одна из них, Xce c, чаще встречается в активной X-хромосоме, тогда как Xce a чаще встречается в неактивной.

Остается невыясненным, в произвольном порядке происходит инактивация X-хромосомы человека. Последние исследования указывают на то, что генетическое окружение может влиять на выбор X-хромосомы, которая будет инактивированная.

Источник: https://info-farm.ru/alphabet_index/i/inaktivaciya-x-khromosomy.html

Ваш лекарь
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: