X-kromosomin aktivaatiosykli jyrsijöillä
alla olevat kohdat koskevat vain jyrsijöitä eivätkä heijasta XI: tä suurimmassa osassa nisäkkäitä.X-inaktivaatio on osa X-kromosomin aktivaatiosykliä koko naaraan eliniän ajan. Munasolu ja hedelmöittynyt tsygootti käyttävät aluksi emon transkriptejä, ja koko alkion genomi vaiennetaan tsygoottiseen genomin aktivaatioon asti. Tämän jälkeen kaikki hiiren solut käyvät läpi 4-8 soluvaiheen alkioissa varhaisen, leimatun X-kromosomin inaktivaation. Ekstrembryoniset kudokset (joista syntyy istukka ja muut alkiota tukevat kudokset) säilyttävät tämän varhaisen inaktivaation, ja siten vain äidin X-kromosomi on aktiivinen näissä kudoksissa.
varhaisessa blastokystissä tämä alkuperäinen, painettu X-inaktivaatio kumoutuu sisäsolumassan soluissa (jotka synnyttävät alkion), ja näissä soluissa molemmat X-kromosomit aktivoituvat uudelleen. Kukin näistä soluista sitten itsenäisesti ja satunnaisesti inaktivoi yhden X-kromosomin kopion. Tämä inaktivaatiotapahtuma on itulinjaa lukuun ottamatta peruuttamaton yksilön elinaikana. Naisen itulinjassa ennen meioottista sisäänpääsyä X-inaktivaatio on päinvastainen, niin että meioosin jälkeen kaikissa haploidisissa varhaismunasoluissa on yksi aktiivinen X-kromosomi.
OverviewEdit
Xi merkitsee inaktiivista, Xa aktiivista X-kromosomia. XP tarkoittaa isän, ja XM tarkoittaa äidin X-kromosomi. Kun munasolu (kuljettaa XM), on hedelmöittynyt siittiö (kuljettaa Y tai XP) diploidi tsygootti muodostuu. Tsygootista aikuisvaiheen kautta seuraavaan munasolun sukupolveen X-kromosomi käy läpi seuraavat muutokset:
- XiP XiM tsygootti → tsygoottisen genomiaktivaation läpi, mikä johtaa:
- XAP xam → leimataan (isän) X-inaktivaatioon, mikä johtaa:
- XIP xam → läpikäy X-aktivaation alkuvaiheen blastokystavaiheessa, mikä johtaa:
- XAP XaM → inaktivaatio alkiolinjassa (sisäinen solumassa) blastokystavaiheessa, mikä johtaa:
- XiP XaM tai XaP XiM → läpikäymässä X-reaktivaatiota alkusukusoluissa ennen meioosia, mikä johtaa:
- XaM XaP diploidisten sukusolujen meioottiseen pysähtymiseen. Koska meioosi I täydentyy vasta ovulaatiolla, ihmisen sukusoluja on tässä vaiheessa ensimmäisistä kehitysviikoista murrosikään asti. Meioosin loppuminen johtaa:
- XaM ja XaP haploidiset sukusolut (munat).
X-aktivaatiosykliä on tutkittu parhaiten hiirillä, mutta ihmisillä on useita tutkimuksia. Koska suurin osa todisteista on peräisin hiiriltä, yllä oleva kaava kuvaa hiirillä tapahtuneita tapahtumia. Meioosin valmistumista yksinkertaistetaan tässä selkeyden vuoksi. Vaiheita 1-4 voidaan tutkia koeputkihedelmöitetyillä alkioilla ja eriytyvillä kantasoluilla; X-reaktivaatio tapahtuu kehittyvässä alkiossa ja sitä seuraavat (6-7) vaiheet naisen kehossa, joten niitä on paljon vaikeampi tutkia.
Ajoitusedit
kunkin prosessin ajoitus riippuu lajista, ja usein tarkasta ajankohdasta keskustellaan aktiivisesti.
| 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 | Satunnainen X-inaktivaatio alkiolinjassa (sisäsolumassa) | myöhäinen blastokysttivaihe | myöhäinen blastokysttivaihe, implantaation jälkeen | ||||||||||
| 5 | X-reaktivaatio alkiolaisissa sukusoluissa ennen meioosia | ennen kehitysviikkoa 4 viikkoon 14 asti |
inaktivaatiotilan periytyminen solusukupolvien kesken
jokaisen tietyn X-kromosomin inaktivoineen solun jälkeläiset inaktivoivat myös saman kromosomin. Tätä ilmiötä, joka voidaan havaita kilpikonnakissojen värityksessä, kun naaraat ovat heterotsygootteja X-linkitetyn geenin suhteen, ei tule sekoittaa mosaiikkiin, joka on termi, joka viittaa erityisesti eroihin saman yksilön eri solupopulaatioiden genotyypissä; X-inaktivaatio, joka on epigeneettinen muutos, joka johtaa eri fenotyyppiin, ei ole genotyyppitason muutos. Yksittäisessä solussa tai sukulinjassa inaktivaatio on siis vinoutunutta tai ei-satunnaista, ja tämä voi aiheuttaa lieviä oireita naispuolisilla X-linkitettyjen geneettisten häiriöiden ”kantajilla”.
yhden aktiivisen X-kromosomin valinta
normaaleilla naarailla on kaksi X-kromosomia, ja missä tahansa solussa yksi kromosomi on aktiivinen (nimetty xa: ksi) ja yksi inaktiivinen (Xi). Tutkimukset yksilöistä, joilla on X-kromosomin ylimääräisiä kopioita, osoittavat kuitenkin, että soluissa, joissa on enemmän kuin kaksi X-kromosomia, on edelleen vain yksi Xa, ja kaikki jäljellä olevat X-kromosomit ovat inaktivoituja. Tämä osoittaa, että X-kromosomin oletustila naisilla on inaktivaatio, mutta yksi X-kromosomi valitaan aina pysymään aktiivisena.
on ymmärretty, että X-kromosomin inaktivaatio on satunnainen prosessi, joka tapahtuu suunnilleen gastrulaation aikaan epiblastissa (soluissa, jotka synnyttävät alkion). Äidin ja isän X-kromosomeilla on yhtä suuri inaktivaation todennäköisyys. Tämä viittaa siihen, että naisten odotettaisiin kärsivän X-linkittyneistä häiriöistä noin 50% yhtä usein kuin miesten (koska naisilla on kaksi X-kromosomia, kun taas miehillä on vain yksi); kuitenkin, todellisuudessa, näiden häiriöiden esiintyminen naisilla on paljon pienempi kuin että. Yksi selitys tälle erolle on se, että 12-20% inaktivoidun X-kromosomin geeneistä on edelleen ilmaistuna, mikä antaa naisille lisäsuojan X-kromosomin koodaamia viallisia geenejä vastaan. Joidenkin mielestä näiden erojen on oltava osoitus etuoikeutetusta (ei-satunnaisesta) inaktivoinnista. Isänpuoleisen X-kromosomin ensisijainen inaktivaatio tapahtuu sekä pussieläimissä että solulinjoissa, jotka muodostavat alkiota ympäröivät kalvot, kun taas istukkanisäkkäillä joko maternaalinen tai isänpuoleinen X-kromosomi voi inaktivoitua eri solulinjoissa.
X-kromosomin inaktivaation ajanjakso selittää tämän eron. Epiblastissa tapahtuu inaktivaatiota gastrulaation aikana, jolloin alkio syntyy. Inaktivaatio tapahtuu solutasolla, mikä johtaa mosaiikkiekspressioon, jossa solulaastareilla on inaktiivinen emon X-kromosomi, kun taas muilla läiskillä on inaktiivinen isän X-kromosomi. Esimerkiksi hemofiliaan (X-linkitetty tauti) heterotsygoottisesti sairastuneella naisella noin puolet maksasoluista toimisi kunnolla, mikä tyypillisesti riittää varmistamaan normaalin veren hyytymisen. Sattuma voisi johtaa merkittävästi enemmän toimintahäiriöitä soluja; kuitenkin, tällaiset tilastolliset ääripäät ovat epätodennäköisiä. Kromosomien geneettiset erot voivat myös tehdä yhden X-kromosomin inaktivoitumisen todennäköisemmäksi. Lisäksi, jos yhdellä X-kromosomilla on mutaatio, joka estää sen kasvun tai tekee siitä elinkelvottoman, solut, jotka satunnaisesti inaktivoivat X: n, saavat selektiivisen edun soluihin nähden, jotka satunnaisesti inaktivoivat normaalin alleelin. Vaikka inaktivaatio onkin aluksi satunnaista, solut, jotka inaktivoivat normaalin alleelin (jättäen mutatoituneen alleelin aktiiviseksi) lopulta ylikasvetaan ja korvataan toiminnallisesti normaaleilla soluilla, joissa lähes kaikilla on sama X-kromosomi aktivoituna.
on oletettu, että on olemassa autosomaalisesti koodattu ”estävä tekijä”, joka sitoutuu X-kromosomiin ja estää sen inaktivoitumisen. Mallissa oletetaan, että on olemassa rajoittava estävä tekijä, joten kun käytettävissä oleva estävä tekijä molekyyli sitoutuu yhteen X-kromosomiin, jäljelle jäävät X-kromosomi(t) eivät ole suojassa inaktivaatiolta. Tätä mallia tukee yhden Xa: n olemassaolo soluissa, joissa on monta X-kromosomia, ja kahden aktiivisen X-kromosomin olemassaolo solulinjoissa, joissa on kaksi kertaa normaalimäärä autosomeja.
X-kromosomin X-inaktivaatiokeskuksessa (XIC) olevat sekvenssit ohjaavat X-kromosomin hiljentymistä. Hypoteettisen estokertoimen ennustetaan sitoutuvan XIC: n sisällä oleviin sekvensseihin.
X-related disorders in heterotsygous femalesEdit
naisen X-heterotsygoottisuuden vaikutus näkyy joissakin paikallisissa piirteissä, kuten kalikokissan ainutlaatuisessa Turkin kuviossa. Se voi olla vaikeampaa, kuitenkin, täysin ymmärtää ilmentymistä un-lokalisoitu piirteitä näillä naisilla, kuten ilmentymistä taudin.
koska uroksilla on vain yksi kopio X-kromosomista, kaikki ilmaistut X-kromosomaaliset geenit (tai alleelit, jos populaatiossa on useita varianttimuotoja tietylle geenille) sijaitsevat kyseisessä kromosomikopiossa. Naiset, kuitenkin, ensisijaisesti ilmaista geenit tai alleelit sijaitsevat X-kromosomi kopio, joka pysyy aktiivisena. Kun otetaan huomioon yhden geenin tai useiden geenien tilanne, joka aiheuttaa yksilöllisiä eroja tietyssä fenotyypissä (ts.aiheuttaa populaatiossa havaittua vaihtelua kyseisen fenotyypin osalta), homotsygooteilla naarailla ei ole erityisen tärkeää, mikä kromosomin kopio on inaktivoitunut, koska molempien kopioiden alleelit ovat samat. Kuitenkin naisilla, jotka ovat heterotsygootteja kausaalisissa geeneissä, kromosomin yhden kopion inaktivoituminen toiseen voi vaikuttaa suoraan niiden fenotyyppiseen arvoon. Tämän ilmiön vuoksi fenotyyppisen vaihtelun on havaittu lisääntyvän naarailla, jotka ovat heterotsygootteja kyseisen geenin tai geenien kohdalla, kuin naarailla, jotka ovat homotsygootteja kyseisen geenin tai kyseisten geenien kohdalla. Fenotyyppinen vaihtelu voi tapahtua monella eri tavalla. Monissa tapauksissa heterotsygoottiset naaraat voivat olla oireettomia tai aiheuttaa vain vähäisiä tietyn häiriön oireita, kuten X-linkitettyä adrenoleukodystrofiaa.
heterotsygoottisten naaraiden fenotyypin erilaistumista edistää X-inaktivaatio-vinoutuminen. Tyypillisesti jokainen X-kromosomi hiljenee puolessa soluista, mutta tämä prosessi vääristyy, kun kromosomin ensisijainen inaktivaatio tapahtuu. On arveltu, että vinoutuminen tapahtuu joko sattumalta tai jonkin kromosomin fysikaalisen ominaisuuden vuoksi, joka voi saada sen hiljentymään enemmän tai harvemmin, kuten epäedullisen mutaation.
keskimäärin jokainen X-kromosomi inaktivoituu puolessa soluista, mutta 5-20 prosentilla ”näennäisesti normaaleista” naisista X-inaktivaatio on vinoutunut. Tapauksissa, joissa skewing on läsnä, laaja valikoima oire ilmaisun voi esiintyä, jolloin ilmaisu vaihtelee vähäisestä vaikeaan riippuen skewing suhteessa. Äärimmäinen tapaus tämä nähtiin, kun monotsygoottiset naaraskaksoset oli äärimmäinen vaihtelevuus ilmaisussa Menkes tauti (X-linkitetty häiriö) johtaa kuolemaan yksi kaksonen, kun taas toinen pysyi oireeton.
on arveltu, että X-inaktivaation vinoutuminen voisi johtua inaktivaatiota aiheuttavasta mekanismista tai itse kromosomissa esiintyvistä ongelmista. Fenotyypin ja skewingin yhteys on kuitenkin edelleen kyseenalainen, ja sitä pitäisi tutkia tapauskohtaisesti. Tutkimuksessa, jossa tarkasteltiin sekä oireettomia että oireettomia naisia, jotka olivat heterotsygootteja Duchennen ja Beckerin lihasdystrofioille (DMD), ei löydetty selvää yhteyttä transkriptioekspression ja skewed X-inaktivaation välillä. Tutkimuksen mukaan molemmat mekanismit ovat itsenäisesti säädeltyjä, ja pelissä on muitakin tuntemattomia tekijöitä.
Kromosomikomponentti
X-kromosomin X-inaktivaatiokeskus (tai yksinkertaisesti XIC) on välttämätön ja riittävä aiheuttamaan X-inaktivaation. Kromosomitranslokaatiot, jotka asettavat XIC: n autosomiin, johtavat autosomin inaktivaatioon, eikä XIC: n puuttuvia X-kromosomeja inaktivoida.
XIC sisältää neljä kääntymätöntä RNA-geeniä, Xist, Tsix, Jpx ja Ftx, jotka osallistuvat X-inaktivaatioon. XIC sisältää myös sitoutumiskohtia sekä tunnetuille että tuntemattomille säätelyproteiineille.
Xist ja Tsix RNAsEdit
x-inaktiivinen spesifinen transkriptiogeeni (Xist) koodaa suurta ei-koodaavaa RNA: ta, joka välittää sen X-kromosomin, josta se transkriboidaan, spesifistä hiljentymistä. Inaktiivinen X-kromosomi on päällystetty Xist-RNA: lla, kun taas Xa ei ole (katso kuva oikealla). X-kromosomeja, joilta puuttuu Xist-geeni, ei voi inaktivoida. Xist-geenin keinotekoinen sijoittaminen ja ilmentäminen toiseen kromosomiin johtaa kyseisen kromosomin hiljentymiseen.
ennen inaktivaatiota molemmat X-kromosomit ilmentävät heikosti Xist-RNA: ta Xist-geenistä. Inaktivaatioprosessin aikana tuleva Xa lakkaa ilmaisemasta Xistiä, kun taas tuleva Xi lisää dramaattisesti Xist-RNA: n tuotantoa. Tulevalla Xillä Xist-RNA peittää kromosomin asteittain LEVITTÄYTYEN XIC: stä; Xist-RNA ei lokalisoidu xa: han. Geenien vaientaminen Xi: tä pitkin tapahtuu pian sen jälkeen, kun Xist-RNA on pinnoitettu.
Xistin tavoin Tsix-geeni koodaa suurta RNA: ta, jonka ei uskota koodaavan proteiinia. Tsix-RNA on transkriboitu antisense Xist-geeniin, eli Tsix-geeni on päällekkäinen Xist-geenin kanssa ja transkriboitu Xist-geenin vastakkaiselle DNA-juosteelle. Tsix on Xist: n negatiivinen säätelijä; X-kromosomit, joilla ei ole Tsix-ilmentymää (ja joilla siten on suuri Xist-transkriptio) inaktivoituvat paljon useammin kuin normaalit kromosomit.
kuten Xist, ennen inaktivaatiota molemmat X-kromosomit ilmentävät heikosti Tsix-geenin tsix-RNA: ta. X-inaktivaation alkaessa tuleva Xi lakkaa ilmaisemasta Tsix-RNA: ta (ja lisää Xist-ekspressiota), kun taas Xa jatkaa tsix: n ilmaisemista useita päiviä.
Rep A on pitkä ei-koodaava RNA, joka toimii toisen pitkän ei-koodaavan RNA: n, Xistin, kanssa X-inaktivaatioon. Rep a estää tsix: n eli xistin antisensuurin toiminnan yhdessä xiten ekspression eliminoinnin kanssa. Se edistää Tsix-alueen metylaatiota houkuttelemalla PRC2: ta ja siten inaktivoimalla yhden X-kromosomin.
hiljentävä
inaktiivinen X-kromosomi ei ilmaise valtaosaa geeneistään, toisin kuin aktiivinen X-kromosomi. Tämä johtuu Xi: n vaientamisesta repressiivisellä heterokromatiinilla, joka tiivistää Xi: n DNA: ta ja estää useimpien geenien ilmentymisen.
Xa: han verrattuna Xillä on runsaasti DNA-metylaatiota, Alhainen histoniasetylaatio, Alhainen Histoni H3-lysiini-4-metylaation taso sekä korkea Histoni H3-lysiini-9-metylaation ja H3-lysiini-27-metylaatiomerkki, jonka xistin rekrytoima PRC2-kompleksi asettaa, ja jotka kaikki liittyvät geenien hiljentymiseen. PRC2 säätelee kromatiinin tiivistymistä ja kromatiinin remodelaatiota useissa prosesseissa, kuten DNA-vauriovasteessa. Lisäksi histonimuunnos nimeltään macroH2A (H2AFY) esiintyy yksinomaan Nukleosomeissa Xi: n varrella.
Barr bodiesEdit
Heterokromatiiniin pakattu DNA, kuten Xi, on tiivistyneempää kuin eukromatiiniin pakattu DNA, kuten Xa. Inaktiivinen X muodostaa ytimen sisällä diskreetin kappaleen, jota kutsutaan Barrin kappaleeksi. Barrin elin sijaitsee yleensä tuman reuna-alueella, on myöhäisessä vaiheessa replikoitumassa solusyklin aikana, ja sisältäessään Xi: n se sisältää heterokromatiinimodifikaatioita ja Xist-RNA: ta.
inaktiivisessa X-kromosomissa ilmaistut geenit
osa X-kromosomin geeneistä välttyy Inaktivoitumiselta Xi: llä. Xist-geeni ilmaistaan korkeina pitoisuuksina Xi: llä eikä sitä ilmaista Xa: lla. Monet muut geenit välttyvät inaktivaatiolta; jotkut ilmaistaan yhtä lailla xa: sta ja Xi: stä, ja toiset, vaikka ne ilmaistaan molemmista kromosomeista, ilmaistaan edelleen pääasiassa Xa: sta. Jopa neljäsosa ihmisen Xin geeneistä pystyy pakenemaan. Hiirellä tehdyt tutkimukset viittaavat siihen, että missä tahansa solutyypissä 3-15 prosenttia geeneistä pakenee inaktivaatiota, ja että pakenevan geenin identiteetti vaihtelee kudosten välillä.
monet inaktivaatiota välttävät geenit esiintyvät X-kromosomin alueilla, jotka toisin kuin suurin osa X-kromosomista sisältävät geenejä myös Y-kromosomissa. Näitä alueita kutsutaan pseudoautosomaalisiksi alueiksi, sillä jommankumman sukupuolen yksilöt saavat kaksi kopiota jokaisesta näiden alueiden geenistä (kuten autosomi), toisin kuin suurin osa sukupuolikromosomien geeneistä. Koska yksilöt jompaakumpaa sukupuolta saavat kaksi kopiota jokaisesta geenistä pseudoautosomaalisella alueella, ei annoksen kompensointia tarvita naisilla, joten oletetaan, että nämä alueet DNA on kehittynyt mekanismeja paeta X-inaktivaatio. Xi: n pseudoautosomaalisten alueiden geeneissä ei ole Xi: lle tyypillisiä muunnoksia ja niihin on sitoutunut vain vähän Xist-RNA: ta.
inaktiivisen X: n varrella olevat geenit, joita ei vaienneta, selittävät vikoja ihmisillä, joilla on poikkeava määrä X-kromosomia, kuten Turnerin oireyhtymä (X0) tai Klinefelterin oireyhtymä (XXY). Teoriassa X-inaktivaation pitäisi poistaa geeniannosten erot sairastuneiden ja sellaisten yksilöiden välillä, joilla on normaali kromosomikomplementti. Sairastuneilla yksilöillä X-inaktivaatio on kuitenkin epätäydellistä ja näiden hiljentymättömien geenien annostus vaihtelee, kun ne pakenevat X-inaktivaatiota, kuten autosomaalinen aneuploidia.
X-inaktivaation poistumista ohjaavia tarkkoja mekanismeja ei tunneta, mutta vaimennetuilla ja poistumisalueilla on osoitettu olevan erilliset kromatiinijäljet. On ehdotettu, että poistuminen X-inaktivaatiosta voisi välittyä pitkän koodaamattoman RNA: n (lncRNA) ilmentymisen kautta poistuvissa kromosomaalisissa domeeneissa.