Zyklus der X-Chromosomenaktivierung bei Nagetierenbearbeiten
Die folgenden Absätze beziehen sich nur auf Nagetiere und spiegeln XI bei der Mehrzahl der Säugetiere nicht wider.Die X-Inaktivierung ist Teil des Aktivierungszyklus des X-Chromosoms während des gesamten weiblichen Lebens. Das Ei und die befruchtete Zygote verwenden zunächst mütterliche Transkripte, und das gesamte embryonale Genom wird bis zur Aktivierung des zygoten Genoms zum Schweigen gebracht. Danach durchlaufen alle Mauszellen eine frühe, geprägte Inaktivierung des väterlich abgeleiteten X-Chromosoms in Embryonen im 4-8-Zellstadium. Die extraembryonalen Gewebe (aus denen die Plazenta und andere den Embryo tragende Gewebe hervorgehen) behalten diese frühe Inaktivierung bei, und daher ist nur das mütterliche X-Chromosom in diesen Geweben aktiv.
In der frühen Blastozyste wird diese anfängliche, eingeprägte X-Inaktivierung in den Zellen der inneren Zellmasse (die den Embryo hervorbringen) umgekehrt, und in diesen Zellen werden beide X-Chromosomen wieder aktiv. Jede dieser Zellen inaktiviert dann unabhängig und zufällig eine Kopie des X-Chromosoms. Dieses Inaktivierungsereignis ist während der Lebenszeit des Individuums irreversibel, mit Ausnahme der Keimbahn. In der weiblichen Keimbahn vor dem meiotischen Eintritt ist die X-Inaktivierung umgekehrt, so dass nach der Meiose alle haploiden Oozyten ein einziges aktives X-Chromosom enthalten.
OverviewEdit
Das Xi markiert das inaktive, Xa das aktive X-Chromosom. XP bezeichnet das väterliche und XM das mütterliche X-Chromosom. Wenn das Ei (mit XM) von einem Sperma (mit Y oder XP) befruchtet wird, bildet sich eine diploide Zygote. Von der Zygote über das adulte Stadium bis zur nächsten Generation von Eiern erfährt das X-Chromosom die folgenden Veränderungen:
- XiP XiM Zygote → zygotische Genomaktivierung, die zu Folgendem führt:
- XaP XaM → Prägung (väterliche) X-Inaktivierung, die zu Folgendem führt:
- XiP XaM → X-Aktivierung im frühen Blastozystenstadium, die zu Folgendem führt:
- XaP XaM → zufällige inaktivierung in der embryonalen Linie (innere Zellmasse) im Blastozystenstadium, was zu:
- XiP XaM ODER XaP XiM → X-Reaktivierung in primordialen Keimzellen vor der Meiose, was zu:
- xam XaP diploiden Keimzellen im meiotischen Arrest führt. Da die Meiose I erst mit dem Eisprung abgeschlossen ist, existieren in diesem Stadium menschliche Keimzellen von den ersten Entwicklungswochen bis zur Pubertät. Der Abschluss der Meiose führt zu:
- XAM- UND XaP-haploiden Keimzellen (Eiern).
Der X-Aktivierungszyklus wurde am besten an Mäusen untersucht, es gibt jedoch mehrere Studien am Menschen. Da die meisten Beweise von Mäusen stammen, stellt das obige Schema die Ereignisse bei Mäusen dar. Der Abschluss der Meiose ist hier der Übersichtlichkeit halber vereinfacht dargestellt. Die Schritte 1-4 können in in-vitro-befruchteten Embryonen und bei der Differenzierung von Stammzellen untersucht werden; Die X-Reaktivierung erfolgt im sich entwickelnden Embryo und die nachfolgenden (6-7) Schritte im weiblichen Körper sind daher viel schwieriger zu untersuchen.
TimingEdit
Der Zeitpunkt jedes Prozesses hängt von der Art ab, und in vielen Fällen wird die genaue Zeit aktiv diskutiert.
| Process | Mouse | Human | |
| 1 | Zygotic genome activation | 2–4 cell stage | 2–8 cell stage |
| 2 | Imprinted (paternal) X-inactivation | 4–8 cell stage | Unclear if it takes place in humans |
| 3 | X-activation | Early blastocyst stage | Early blastocyst stage |
| 4 | Zufällige X-Inaktivierung in der embryonalen Linie (innere Zellmasse) | Spätes Blastozystenstadium | Spätes Blastozystenstadium, nach Implantation |
| 5 | X-Reaktivierung in primordialen Keimzellen vor der Meiose | Vor der Entwicklungswoche 4 bis Woche 14 |
Vererbung des Inaktivierungsstatus über Zellgenerationenbearbeiten
Die Nachkommen jeder Zelle, die ein bestimmtes X-Chromosom inaktiviert hat, inaktivieren auch dasselbe Chromosom. Dieses Phänomen, das bei der Färbung von Schildpattkatzen beobachtet werden kann, wenn Frauen für das X-chromosomale Gen heterozygot sind, sollte nicht mit dem Mosaikismus verwechselt werden, einem Begriff, der sich speziell auf Unterschiede im Genotyp verschiedener Zellpopulationen in derselben Person bezieht. Für eine einzelne Zelle oder Linie ist die Inaktivierung daher verzerrt oder ’nicht zufällig‘, und dies kann zu milden Symptomen bei weiblichen ‚Trägern‘ von X-chromosomalen genetischen Störungen führen.
Selektion eines aktiven X-Chromosoms
Normale Frauen besitzen zwei X-Chromosomen, und in jeder Zelle ist ein Chromosom aktiv (bezeichnet als Xa) und eines inaktiv (Xi). Studien an Individuen mit zusätzlichen Kopien des X-Chromosoms zeigen jedoch, dass in Zellen mit mehr als zwei X-Chromosomen immer noch nur ein Xa vorhanden ist und alle verbleibenden X-Chromosomen inaktiviert sind. Dies zeigt an, dass der Standardzustand des X-Chromosoms bei Frauen die Inaktivierung ist, aber immer ein X-Chromosom ausgewählt ist, um aktiv zu bleiben.
Es versteht sich, dass die Inaktivierung des X-Chromosoms ein zufälliger Prozess ist, der ungefähr zum Zeitpunkt der Gastrulation im Epiblasten (Zellen, aus denen der Embryo hervorgeht) auftritt. Die mütterlichen und väterlichen X-Chromosomen haben eine gleiche Wahrscheinlichkeit der Inaktivierung. Dies würde darauf hindeuten, dass Frauen etwa 50% so oft an X-Chromosomen leiden wie Männer (weil Frauen zwei X-Chromosomen haben, während Männer nur eines haben); In Wirklichkeit ist das Auftreten dieser Störungen bei Frauen jedoch viel geringer. Eine Erklärung für diese Disparität ist, dass 12-20% der Gene auf dem inaktivierten X-Chromosom exprimiert bleiben, wodurch Frauen zusätzlichen Schutz vor defekten Genen erhalten, die vom X-Chromosom kodiert werden. Einige schlagen vor, dass diese Ungleichheit ein Beweis für eine bevorzugte (nicht zufällige) Inaktivierung sein muss. Eine bevorzugte Inaktivierung des väterlichen X-Chromosoms tritt sowohl bei Beuteltieren als auch in Zelllinien auf, die die Membranen bilden, die den Embryo umgeben, während bei plazentaren Säugetieren entweder das maternal oder das väterlich abgeleitete X-Chromosom in verschiedenen Zelllinien inaktiviert werden kann.
Der Zeitraum für die Inaktivierung des X-Chromosoms erklärt diese Disparität. Die Inaktivierung erfolgt im Epiblasten während der Gastrulation, wodurch der Embryo entsteht. Die Inaktivierung erfolgt auf zellulärer Ebene, was zu einer Mosaikexpression führt, bei der Zellflecken ein inaktives mütterliches X-Chromosom aufweisen, während andere Flecken ein inaktives väterliches X-Chromosom aufweisen. Zum Beispiel würde eine weibliche heterozygote für Hämophilie (eine X-chromosomale Krankheit) etwa die Hälfte ihrer Leberzellen richtig funktionieren lassen, was typischerweise ausreicht, um eine normale Blutgerinnung sicherzustellen. Der Zufall könnte zu deutlich mehr dysfunktionalen Zellen führen; Solche statistischen Extreme sind jedoch unwahrscheinlich. Genetische Unterschiede auf dem Chromosom können auch dazu führen, dass ein X-Chromosom eher inaktiviert wird. Wenn ein X-Chromosom eine Mutation aufweist, die sein Wachstum behindert oder es nicht lebensfähig macht, haben Zellen, die dieses X zufällig inaktiviert haben, einen selektiven Vorteil gegenüber Zellen, die das normale Allel zufällig inaktiviert haben. Obwohl die Inaktivierung anfänglich zufällig ist, werden Zellen, die ein normales Allel inaktivieren (wobei das mutierte Allel aktiv bleibt), schließlich überwachsen und durch funktionell normale Zellen ersetzt, in denen fast alle das gleiche X-Chromosom aktiviert haben.
Es wird vermutet, dass es einen autosomal kodierten ‚Blockierungsfaktor‘ gibt, der an das X-Chromosom bindet und dessen Inaktivierung verhindert. Das Modell postuliert, dass es einen begrenzenden Blockierungsfaktor gibt, so dass, sobald das verfügbare Blockierungsfaktormolekül an ein X-Chromosom bindet, die verbleibenden X-Chromosome nicht vor Inaktivierung geschützt sind. Dieses Modell wird durch die Existenz eines einzelnen Xa in Zellen mit vielen X-Chromosomen und durch die Existenz von zwei aktiven X-Chromosomen in Zelllinien mit der doppelten normalen Anzahl von Autosomen unterstützt.
Sequenzen im X-Inaktivierungszentrum (XIC), das auf dem X-Chromosom vorhanden ist, steuern die Stummschaltung des X-Chromosoms. Es wird vorhergesagt, dass der hypothetische Blockierungsfaktor an Sequenzen innerhalb des XIC bindet.
Expression von X-verknüpften Störungen bei heterozygoten Weibchenbearbeiten
Die Wirkung der weiblichen X-Heterozygotie zeigt sich in einigen lokalisierten Merkmalen, wie dem einzigartigen Fellmuster einer Kattunkatze. Es kann jedoch schwieriger sein, die Expression nicht lokalisierter Merkmale bei diesen Frauen, wie z. B. die Expression von Krankheiten, vollständig zu verstehen.Da Männer nur eine Kopie des X-Chromosoms haben, befinden sich alle exprimierten X-chromosomalen Gene (oder Allele, im Falle mehrerer Variantenformen für ein bestimmtes Gen in der Population) auf dieser Kopie des Chromosoms. Frauen exprimieren jedoch hauptsächlich die Gene oder Allele, die sich auf der X-chromosomalen Kopie befinden, die aktiv bleibt. Betrachtet man die Situation für ein Gen oder mehrere Gene, die individuelle Unterschiede in einem bestimmten Phänotyp verursachen (dh Variation in der Population für diesen Phänotyp verursachen), spielt es bei homozygoten Frauen keine besondere Rolle, welche Kopie des Chromosoms inaktiviert ist, da die Allele auf beiden Kopien gleich sind. Bei Frauen, die an den kausalen Genen heterozygot sind, kann die Inaktivierung einer Kopie des Chromosoms gegenüber der anderen jedoch einen direkten Einfluss auf ihren phänotypischen Wert haben. Aufgrund dieses Phänomens wird eine Zunahme der phänotypischen Variation bei Frauen beobachtet, die an dem beteiligten Gen oder den beteiligten Genen heterozygot sind, als bei Frauen, die an diesem Gen oder diesen Genen homozygot sind. Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten, wie sich die phänotypische Variation entfalten kann. In vielen Fällen können heterozygote Frauen asymptomatisch sein oder nur geringfügige Symptome einer bestimmten Störung aufweisen, z. B. bei X-chromosomaler Adrenoleukodystrophie.
Die Differenzierung des Phänotyps bei heterozygoten Weibchen wird durch das Vorhandensein von X-Inaktivierungs-Skewing gefördert. Typischerweise wird jedes X-Chromosom in der Hälfte der Zellen zum Schweigen gebracht, aber dieser Prozess ist verzerrt, wenn eine bevorzugte Inaktivierung eines Chromosoms auftritt. Es wird angenommen, dass die Verzerrung entweder zufällig oder durch eine physikalische Eigenschaft eines Chromosoms erfolgt, die dazu führen kann, dass es mehr oder weniger häufig zum Schweigen gebracht wird, z. B. durch eine ungünstige Mutation.
Im Durchschnitt ist jedes X-Chromosom in der Hälfte der Zellen inaktiviert, jedoch zeigen 5-20% der „scheinbar normalen“ Frauen eine X-Inaktivierungsverschiebung. In Fällen, in denen eine Verzerrung vorliegt, kann ein breites Spektrum an Symptomausdrücken auftreten, was dazu führt, dass die Expression je nach Verzerrungsanteil von gering bis schwer variiert. Ein extremer Fall davon wurde beobachtet, wo eineiige weibliche Zwillinge extreme Varianz in der Expression der Menkes-Krankheit (eine X-chromosomale Störung) hatten, was zum Tod eines Zwillings führte, während der andere asymptomatisch blieb.
Es wird angenommen, dass die X-Inaktivierungsverschiebung durch Probleme im Mechanismus, der die Inaktivierung verursacht, oder durch Probleme im Chromosom selbst verursacht werden könnte. Der Zusammenhang zwischen Phänotyp und Skewing wird jedoch immer noch in Frage gestellt und sollte von Fall zu Fall untersucht werden. Eine Studie, die sowohl symptomatische als auch asymptomatische Frauen untersuchte, die heterozygot für Duchenne- und Becker-Muskeldystrophien (DMD) waren, fand keinen offensichtlichen Zusammenhang zwischen Transkriptexpression und verzerrter X-Inaktivierung. Die Studie legt nahe, dass beide Mechanismen unabhängig voneinander reguliert werden und andere unbekannte Faktoren eine Rolle spielen.
Chromosomale Komponentebearbeiten
Das X-Inaktivierungszentrum (oder einfach XIC) auf dem X-Chromosom ist notwendig und ausreichend, um X-Inaktivierung zu verursachen. Chromosomale Translokationen, die den XIC auf ein Autosom setzen, führen zur Inaktivierung des Autosoms, und X-Chromosomen, denen der XIC fehlt, werden nicht inaktiviert.
Der XIC enthält vier nicht-translatierte RNA-Gene, Xist, Tsix, Jpx und Ftx, die an der X-Inaktivierung beteiligt sind. Der XIC enthält auch Bindungsstellen für bekannte und unbekannte regulatorische Proteine.
Xist und Tsix RNAsEdit
Das X-inaktive spezifische Transkript (Xist) -Gen kodiert eine große nicht-kodierende RNA, die für die Vermittlung der spezifischen Stummschaltung des X-Chromosoms verantwortlich ist, von dem es transkribiert wird. Das inaktive X-Chromosom ist mit Xist-RNA beschichtet, das Xa dagegen nicht (siehe Abbildung rechts). X-Chromosomen, denen das Xist-Gen fehlt, können nicht inaktiviert werden. Das künstliche Platzieren und Exprimieren des Xist-Gens auf einem anderen Chromosom führt zum Stummschalten dieses Chromosoms.
Vor der Inaktivierung exprimieren beide X-Chromosomen schwach Xist-RNA aus dem Xist-Gen. Während des Inaktivierungsprozesses hört das zukünftige Xa auf, Xist zu exprimieren, während das zukünftige Xi die Xist-RNA-Produktion dramatisch erhöht. Auf dem zukünftigen Xi bedeckt die Xist-RNA progressiv das Chromosom und breitet sich vom XIC aus; Die Xist-RNA lokalisiert sich nicht zum Xa. Die Stummschaltung von Genen entlang des Xi erfolgt kurz nach der Beschichtung durch Xist-RNA.
Wie Xist kodiert das Tsix-Gen für eine große RNA, von der man nicht annimmt, dass sie für ein Protein kodiert. Die Tsix-RNA wird antisense zu Xist transkribiert, was bedeutet, dass das Tsix-Gen das Xist-Gen überlappt und auf dem gegenüberliegenden DNA-Strang des Xist-Gens transkribiert wird. Tsix ist ein negativer Regulator von Xist; X-Chromosomen, denen die Tsix-Expression fehlt (und daher ein hohes Maß an Xist-Transkription aufweisen), werden viel häufiger inaktiviert als normale Chromosomen.
Wie Xist exprimieren beide X-Chromosomen vor der Inaktivierung schwach Tsix-RNA aus dem Tsix-Gen. Zu Beginn der X-Inaktivierung hört das zukünftige Xi auf, Tsix-RNA zu exprimieren (und erhöht die Xist-Expression), während Xa Tsix mehrere Tage lang weiter exprimiert.
Rep A ist eine lange nicht-kodierende RNA, die mit einer anderen langen nicht-kodierenden RNA, Xist, für die X-Inaktivierung arbeitet. Rep A hemmt die Funktion von Tsix, dem Antisense von Xist, in Verbindung mit der Eliminierung der Expression von Xite. Es fördert die Methylierung der Tsix-Region, indem es PRC2 anzieht und somit eines der X-Chromosomen inaktiviert.
SilencingEdit
Das inaktive X-Chromosom exprimiert im Gegensatz zum aktiven X-Chromosom die Mehrheit seiner Gene nicht. Dies ist auf die Stummschaltung des Xi durch repressives Heterochromatin zurückzuführen, das die Xi-DNA verdichtet und die Expression der meisten Gene verhindert.
Im Vergleich zum Xa weist das Xi einen hohen DNA-Methylierungsgrad, einen niedrigen Histonacetylierungsgrad, einen niedrigen Histon-H3-Lysin-4-Methylierungsgrad und einen hohen Histon-H3-Lysin-9-Methylierungsgrad und einen hohen H3-Lysin-27-Methylierungsgrad auf, die durch den von Xist rekrutierten PRC2-Komplex platziert werden, die alle mit Gen-Silencing assoziiert sind. PRC2 reguliert die Chromatinverdichtung und den Chromatinumbau in mehreren Prozessen, einschließlich der DNA-Schadensreaktion. Zusätzlich wird eine Histonvariante namens macroH2A (H2AFY) ausschließlich auf Nukleosomen entlang des Xi gefunden.
Barr-Körperbearbeiten
In Heterochromatin verpackte DNA, wie das Xi, ist stärker kondensiert als in Euchromatin verpackte DNA, wie das Xa. Das inaktive X bildet einen diskreten Körper innerhalb des Kerns, der als Barr-Körper bezeichnet wird. Der Barr-Körper befindet sich im Allgemeinen an der Peripherie des Zellkerns, repliziert sich spät innerhalb des Zellzyklus und enthält, da er das Xi enthält, Heterochromatinmodifikationen und die Xist-RNA.
Exprimierte Gene auf dem inaktiven X-Chromosom
Ein Bruchteil der Gene entlang des X-Chromosoms entgeht der Inaktivierung auf dem Xi. Das Xist-Gen wird auf dem Xi in hohen Konzentrationen exprimiert und auf dem Xa nicht exprimiert. Viele andere Gene entkommen der Inaktivierung; Einige werden gleichermaßen von Xa und Xi exprimiert, und andere, während sie von beiden Chromosomen exprimiert werden, werden immer noch überwiegend von Xa exprimiert. Bis zu einem Viertel der Gene im menschlichen Körper können entkommen. Studien an der Maus legen nahe, dass in einem bestimmten Zelltyp 3% bis 15% der Gene der Inaktivierung entkommen und dass die Flucht der Genidentität zwischen den Geweben variiert.Viele der Gene, die der Inaktivierung entkommen, sind entlang von Regionen des X-Chromosoms vorhanden, die im Gegensatz zum Großteil des X-Chromosoms Gene enthalten, die auch auf dem Y-Chromosom vorhanden sind. Diese Regionen werden als pseudoautosomale Regionen bezeichnet, da Individuen beiderlei Geschlechts im Gegensatz zu den meisten Genen entlang der Geschlechtschromosomen zwei Kopien jedes Gens in diesen Regionen erhalten (wie ein Autosom). Da Individuen beiderlei Geschlechts zwei Kopien jedes Gens in einer pseudoautosomalen Region erhalten, ist für Frauen keine Dosiskompensation erforderlich, so dass postuliert wird, dass diese DNA-Regionen Mechanismen entwickelt haben, um der X-Inaktivierung zu entkommen. Die Gene pseudoautosomaler Regionen des Xi weisen nicht die typischen Modifikationen des Xi auf und haben wenig Xist-RNA gebunden.Die Existenz von Genen entlang des inaktiven X, die nicht zum Schweigen gebracht werden, erklärt die Defekte beim Menschen mit abnormalen Zahlen des X-Chromosoms, wie Turner-Syndrom (X0) oder Klinefelter-Syndrom (XXY). Theoretisch sollte die X-Inaktivierung die Unterschiede in der Gendosis zwischen betroffenen Personen und Personen mit einem normalen Chromosomenkomplement beseitigen. Bei betroffenen Personen ist die X-Inaktivierung jedoch unvollständig und die Dosierung dieser nicht stummgeschalteten Gene unterscheidet sich, wenn sie der X-Inaktivierung entkommen, ähnlich einer autosomalen Aneuploidie.
Die genauen Mechanismen, die die Flucht aus der X-Inaktivierung steuern, sind nicht bekannt, aber es wurde gezeigt, dass stummgeschaltete und Fluchtregionen unterschiedliche Chromatinmarkierungen aufweisen. Es wurde vorgeschlagen, dass die Flucht aus der X-Inaktivierung durch Expression von langer nicht-kodierender RNA (lncRNA) innerhalb der entweichenden Chromosomendomänen vermittelt werden könnte.