Cycle d’activation du chromosome X chez les rongeurSdit
Les paragraphes ci-dessous ne concernent que les rongeurs et ne reflètent pas XI chez la majorité des mammifères.L’inactivation X fait partie du cycle d’activation du chromosome X tout au long de la vie de la femme. L’ovule et le zygote fécondé utilisent initialement des transcriptions maternelles, et tout le génome embryonnaire est réduit au silence jusqu’à l’activation du génome zygotique. Par la suite, toutes les cellules de souris subissent une inactivation précoce et imprimée du chromosome X d’origine paternelle dans des embryons au stade de 4 à 8 cellules. Les tissus extra-embryonnaires (qui donnent naissance au placenta et aux autres tissus supportant l’embryon) conservent cette inactivation imprimée précoce, et donc seul le chromosome X maternel est actif dans ces tissus.
Au début du blastocyste, cette inactivation X initiale imprimée est inversée dans les cellules de la masse cellulaire interne (qui donnent naissance à l’embryon), et dans ces cellules, les deux chromosomes X redeviennent actifs. Chacune de ces cellules inactive alors indépendamment et aléatoirement une copie du chromosome X. Cet événement d’inactivation est irréversible au cours de la vie de l’individu, à l’exception de la lignée germinale. Dans la lignée germinale femelle avant l’entrée méiotique, l’inactivation X est inversée, de sorte qu’après la méiose, tous les ovocytes haploïdes contiennent un seul chromosome X actif.
Vue d’ensembledit
Le Xi marque l’inactif, Xa le chromosome X actif. XP désigne le paternel et XM désigne le chromosome X maternel. Lorsque l’ovule (porteur de XM), est fécondé par un spermatozoïde (porteur d’un Y ou d’un XP), un zygote diploïde se forme. Du zygote, au stade adulte, à la prochaine génération d’œufs, le chromosome X subit les modifications suivantes:
- xip XiM zygote → subissant une activation du génome zygotique, conduisant à:
- XaP XaM → subissant une inactivation X imprimée (paternelle), conduisant à:
- XiP XaM → subissant une activation X au stade précoce du blastocyste, conduisant à:
- XaP XaM → subissant une activation X aléatoire – inactivation dans la lignée embryonnaire (masse cellulaire interne) au stade blastocyste, conduisant à:
- XiP XaM OU XaP XiM → subissant une réactivation X dans les cellules germinales primordiales avant la méiose, conduisant à:
- XAM XaP cellules germinales diploïdes en arrêt méiotique. Comme la méiose I ne se termine qu’avec l’ovulation, les cellules germinales humaines existent à ce stade depuis les premières semaines de développement jusqu’à la puberté. L’achèvement de la méiose conduit à:
- Cellules germinales haploïdes XaM ET XaP (œufs).
Le cycle d’activation de l’X a été mieux étudié chez la souris, mais il existe de multiples études chez l’homme. Comme la plupart des preuves proviennent de souris, le schéma ci-dessus représente les événements chez les souris. L’achèvement de la méiose est ici simplifié pour plus de clarté. Les étapes 1 à 4 peuvent être étudiées dans des embryons fécondés in vitro et dans la différenciation des cellules souches; La réactivation X se produit dans l’embryon en développement, et les étapes suivantes (6 à 7) à l’intérieur du corps féminin, donc beaucoup plus difficiles à étudier.
TimingEdit
Le moment de chaque processus dépend de l’espèce et, dans de nombreux cas, le moment précis est activement débattu.
| 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 | Inactivation aléatoire de l’X dans la lignée embryonnaire (masse cellulaire interne) | Stade de blastocyste tardif | Stade de blastocyste tardif, après implantation |
| 5 | Réactivation de l’X dans les cellules germinales primordiales avant la méiose | D’avant la semaine de développement 4 jusqu’à la semaine 14 |
Héritage du statut d’inactivation entre les générations de cellules
Les descendants de chaque cellule qui a inactivé un chromosome X particulier inactiveront également ce même chromosome. Ce phénomène, qui peut être observé dans la coloration des chats écaille de tortue lorsque les femelles sont hétérozygotes pour le gène lié à l’X, ne doit pas être confondu avec le mosaïcisme, qui est un terme qui désigne spécifiquement les différences de génotype de diverses populations cellulaires chez un même individu; L’inactivation de l’X, qui est un changement épigénétique qui entraîne un phénotype différent, n’est pas un changement au niveau génotypique. Pour une cellule ou une lignée individuelle, l’inactivation est donc biaisée ou « non aléatoire », ce qui peut donner lieu à des symptômes bénins chez les femmes « porteuses » de troubles génétiques liés à l’X.
Sélection d’un chromosome X activemodiFier
Les femelles normales possèdent deux chromosomes X, et dans une cellule donnée, un chromosome sera actif (désigné Xa) et un sera inactif (Xi). Cependant, des études sur des individus avec des copies supplémentaires du chromosome X montrent que dans les cellules avec plus de deux chromosomes X, il n’y a encore qu’un seul Xa et que tous les chromosomes X restants sont inactivés. Cela indique que l’état par défaut du chromosome X chez les femelles est l’inactivation, mais qu’un chromosome X est toujours sélectionné pour rester actif.
Il est entendu que l’inactivation du chromosome X est un processus aléatoire, se produisant à peu près au moment de la gastrulation dans l’épiblaste (cellules qui donneront naissance à l’embryon). Les chromosomes X maternels et paternels ont une probabilité égale d’inactivation. Cela suggère que les femmes devraient souffrir de troubles liés à l’X environ 50% aussi souvent que les hommes (parce que les femmes ont deux chromosomes X, alors que les hommes n’en ont qu’un); cependant, en réalité, la survenue de ces troubles chez les femmes est beaucoup plus faible que cela. Une explication de cette disparité est que 12 à 20% des gènes du chromosome X inactivé restent exprimés, offrant ainsi aux femmes une protection supplémentaire contre les gènes défectueux codés par le chromosome X. Certains suggèrent que cette disparité doit être la preuve d’une inactivation préférentielle (non aléatoire). L’inactivation préférentielle du chromosome X paternel se produit à la fois chez les marsupiaux et dans les lignées cellulaires qui forment les membranes entourant l’embryon, tandis que chez les mammifères placentaires, le chromosome X d’origine maternelle ou paternelle peut être inactivé dans différentes lignées cellulaires.
La période d’inactivation du chromosome X explique cette disparité. L’inactivation se produit dans l’épiblaste lors de la gastrulation, ce qui donne naissance à l’embryon. L’inactivation se produit au niveau cellulaire, entraînant une expression en mosaïque, dans laquelle des parcelles de cellules ont un chromosome X maternel inactif, tandis que d’autres parcelles ont un chromosome X paternel inactif. Par exemple, une femme hétérozygote pour hémophilie (une maladie liée à l’X) aurait environ la moitié de ses cellules hépatiques fonctionnant correctement, ce qui est généralement suffisant pour assurer une coagulation sanguine normale. Le hasard pourrait entraîner beaucoup plus de cellules dysfonctionnelles; cependant, de tels extrêmes statistiques sont peu probables. Les différences génétiques sur le chromosome peuvent également rendre un chromosome X plus susceptible de subir une inactivation. De plus, si un chromosome X présente une mutation qui entrave sa croissance ou le rend non viable, les cellules qui ont inactivé aléatoirement ce chromosome X auront un avantage sélectif sur les cellules qui ont inactivé aléatoirement l’allèle normal. Ainsi, bien que l’inactivation soit initialement aléatoire, les cellules qui inactivent un allèle normal (laissant l’allèle muté actif) finiront par être envahies et remplacées par des cellules fonctionnellement normales dans lesquelles presque toutes ont le même chromosome X activé.
On suppose qu’il existe un « facteur de blocage » codé par autosomique qui se lie au chromosome X et empêche son inactivation. Le modèle postule qu’il existe un facteur de blocage limitant, de sorte qu’une fois que la molécule de facteur de blocage disponible se lie à un chromosome X, le ou les chromosomes X restants ne sont pas protégés de l’inactivation. Ce modèle est étayé par l’existence d’un seul Xa dans des cellules avec de nombreux chromosomes X et par l’existence de deux chromosomes X actifs dans des lignées cellulaires avec deux fois le nombre normal d’autosomes.
Des séquences au centre d’inactivation X (XIC), présentes sur le chromosome X, contrôlent le silençage du chromosome X. Le facteur de blocage hypothétique est prévu pour se lier à des séquences dans le XIC.
Expression de troubles liés à l’X chez les femelles hétérozygotes
L’effet de l’hétérozygotie X féminine est apparent dans certains traits localisés, tels que le modèle de pelage unique d’un chat calicot. Il peut cependant être plus difficile de bien comprendre l’expression de traits non localisés chez ces femelles, tels que l’expression d’une maladie.
Comme les mâles n’ont qu’une seule copie du chromosome X, tous les gènes du chromosome X exprimés (ou allèles, dans le cas de formes variant multiples pour un gène donné dans la population) sont situés sur cette copie du chromosome. Les femelles, cependant, exprimeront principalement les gènes ou allèles situés sur la copie du chromosome X qui reste active. Compte tenu de la situation pour un gène ou plusieurs gènes causant des différences individuelles dans un phénotype particulier (c.-à-d., provoquant des variations observées dans la population pour ce phénotype), chez les femelles homozygotes, peu importe quelle copie du chromosome est inactivée, car les allèles sur les deux copies sont les mêmes. Cependant, chez les femelles hétérozygotes au niveau des gènes causaux, l’inactivation d’une copie du chromosome par rapport à l’autre peut avoir un impact direct sur leur valeur phénotypique. En raison de ce phénomène, on observe une augmentation de la variation phénotypique chez les femelles hétérozygotes au gène ou aux gènes impliqués que chez les femelles homozygotes au gène ou à ces gènes. Il existe de nombreuses façons différentes de jouer la variation phénotypique. Dans de nombreux cas, les femelles hétérozygotes peuvent être asymptomatiques ou ne présenter que des symptômes mineurs d’un trouble donné, comme une adrénoleucodystrophie liée à l’X.
La différenciation du phénotype chez les femelles hétérozygotes est favorisée par la présence d’un biais d’inactivation de l’X. En règle générale, chaque chromosome X est réduit au silence dans la moitié des cellules, mais ce processus est biaisé lorsque l’inactivation préférentielle d’un chromosome se produit. On pense que l’asymétrie se produit soit par hasard, soit par une caractéristique physique d’un chromosome qui peut le faire taire plus ou moins souvent, comme une mutation défavorable.
En moyenne, chaque chromosome X est inactivé dans la moitié des cellules, mais 5 à 20% des femmes « apparemment normales » présentent une inactivation X biaisée. Dans les cas où une asymétrie est présente, une large gamme d’expression des symptômes peut se produire, ce qui entraîne une expression variant de mineure à sévère en fonction de la proportion d’asymétrie. Un cas extrême de ceci a été vu où les jumelles femelles monozygotes avaient une variance extrême dans l’expression de la maladie de Menkes (un trouble lié à l’X) entraînant la mort d’un jumeau tandis que l’autre restait asymptomatique.
On pense que l’inclinaison de l’inactivation de l’X pourrait être causée par des problèmes dans le mécanisme qui provoque l’inactivation, ou par des problèmes dans le chromosome lui-même. Cependant, le lien entre phénotype et biais est toujours remis en question et devrait être examiné au cas par cas. Une étude portant sur des femmes symptomatiques et asymptomatiques hétérozygotes pour les dystrophies musculaires de Duchenne et de Becker (DMD) n’a trouvé aucun lien apparent entre l’expression de la transcription et l’inactivation biaisée de l’X. L’étude suggère que les deux mécanismes sont réglementés indépendamment et qu’il existe d’autres facteurs inconnus en jeu.
Composant chromosomiquemodifier
Le centre d’inactivation X (ou simplement XIC) sur le chromosome X est nécessaire et suffisant pour provoquer l’inactivation X. Les translocations chromosomiques qui placent le XIC sur un autosome conduisent à l’inactivation de l’autosome, et les chromosomes X dépourvus du XIC ne sont pas inactivés.
Le XIC contient quatre gènes d’ARN non traduits, Xist, Tsix, Jpx et Ftx, qui sont impliqués dans l’inactivation de l’X. Le XIC contient également des sites de liaison pour des protéines régulatrices connues et inconnues.
Xist et Tsix RNAsEdit
Le gène X-inactive specific transcript (Xist) code un ARN non codant de grande taille qui est responsable de la médiation du silençage spécifique du chromosome X à partir duquel il est transcrit. Le chromosome X inactif est recouvert d’ARN Xist, alors que le Xa ne l’est pas (Voir Figure à droite). Les chromosomes X dépourvus du gène Xist ne peuvent pas être inactivés. Le fait de placer et d’exprimer artificiellement le gène Xist sur un autre chromosome entraîne le silençage de ce chromosome.
Avant l’inactivation, les deux chromosomes X expriment faiblement l’ARN Xist du gène Xist. Pendant le processus d’inactivation, le futur Xa cesse d’exprimer Xist, tandis que le futur Xi augmente considérablement la production d’ARN Xist. Sur le futur Xi, l’ARN Xist recouvre progressivement le chromosome, s’étendant à partir du XIC ; l’ARN Xist ne se localise pas vers le Xa. Le silençage des gènes le long du Xi se produit peu de temps après l’enrobage par l’ARN Xist.
Comme Xist, le gène Tsix code un ARN de grande taille qui n’est pas censé coder une protéine. L’ARN Tsix est transcrit antisens en Xist, ce qui signifie que le gène Tsix chevauche le gène Xist et est transcrit sur le brin opposé de l’ADN du gène Xist. Tsix est un régulateur négatif de Xist; Les chromosomes X dépourvus d’expression Tsix (et ayant donc des niveaux élevés de transcription Xist) sont inactivés beaucoup plus fréquemment que les chromosomes normaux.
Comme Xist, avant l’inactivation, les deux chromosomes X expriment faiblement l’ARN Tsix à partir du gène Tsix. Au début de l’inactivation X, le futur Xi cesse d’exprimer l’ARN Tsix (et augmente l’expression de Xist), tandis que Xa continue d’exprimer Tsix pendant plusieurs jours.
Le Rep A est un ARN long non codant qui fonctionne avec un autre ARN long non codant, Xist, pour l’inactivation de X. Rep A inhibe la fonction de Tsix, l’antisens de Xist, en conjonction avec l’élimination de l’expression de Xite. Il favorise la méthylation de la région Tsix en attirant PRC2 et en inactivant ainsi l’un des chromosomes X.
SilencingEdit
Le chromosome X inactif n’exprime pas la majorité de ses gènes, contrairement au chromosome X actif. Cela est dû au silence du Xi par l’hétérochromatine répressive, qui compacte l’ADN Xi et empêche l’expression de la plupart des gènes.
Par rapport au Xa, le Xi présente des niveaux élevés de méthylation de l’ADN, de faibles niveaux d’acétylation des histones, de faibles niveaux de méthylation de l’histone H3 lysine-4, et des niveaux élevés de méthylation de l’histone H3 lysine-9 et de marque de méthylation de la H3 lysine-27 qui est placée par le complexe PRC2 recruté par Xist, qui sont tous associés au silençage génique. La PRC2 régule le compactage de la chromatine et le remodelage de la chromatine dans plusieurs processus, y compris la réponse aux dommages à l’ADN. De plus, une variante d’histone appelée macroH2A (H2AFY) se trouve exclusivement sur les nucléosomes le long du Xi.
Corps de Barrmodifier
L’ADN emballé dans de l’hétérochromatine, telle que la Xi, est plus condensé que l’ADN emballé dans de l’euchromatine, telle que la Xa. Le X inactif forme un corps discret dans le noyau appelé corps de Barr. Le corps de Barr est généralement situé à la périphérie du noyau, se réplique tardivement dans le cycle cellulaire et, comme il contient le Xi, contient des modifications de l’hétérochromatine et l’ARN Xist.
Gènes exprimés sur le chromosome X inactifdit
Une fraction des gènes le long du chromosome X échappe à l’inactivation sur le Xi. Le gène Xist est exprimé à des niveaux élevés sur le Xi et n’est pas exprimé sur le Xa. De nombreux autres gènes échappent à l’inactivation; certains sont exprimés de manière égale à partir du Xa et du Xi, et d’autres, bien qu’exprimés à partir des deux chromosomes, sont encore principalement exprimés à partir du Xa. Jusqu’à un quart des gènes sur le Xi humain sont capables de s’échapper. Des études chez la souris suggèrent que dans un type cellulaire donné, 3% à 15% des gènes échappent à l’inactivation, et que l’identité des gènes qui s’échappent varie d’un tissu à l’autre.
De nombreux gènes qui échappent à l’inactivation sont présents le long de régions du chromosome X qui, contrairement à la majorité du chromosome X, contiennent des gènes également présents sur le chromosome Y. Ces régions sont appelées régions pseudoautosomiques, car les individus de l’un ou l’autre sexe recevront deux copies de chaque gène dans ces régions (comme un autosome), contrairement à la majorité des gènes le long des chromosomes sexuels. Étant donné que les individus de l’un ou l’autre sexe recevront deux copies de chaque gène dans une région pseudoautosomique, aucune compensation posologique n’est nécessaire pour les femelles, il est donc postulé que ces régions de l’ADN ont développé des mécanismes pour échapper à l’inactivation de l’X. Les gènes des régions pseudoautosomiques du Xi n’ont pas les modifications typiques du Xi et ont peu d’ARN Xist lié.
L’existence de gènes le long du X inactif qui ne sont pas réduits au silence explique les défauts chez l’homme avec des nombres anormaux du chromosome X, tels que le syndrome de Turner (X0) ou le syndrome de Klinefelter (XXY). Théoriquement, l’inactivation de l’X devrait éliminer les différences de dosage des gènes entre les individus affectés et les individus ayant un complément chromosomique normal. Chez les individus affectés, cependant, l’inactivation de l’X est incomplète et la posologie de ces gènes non réduits au silence différera lorsqu’ils échapperont à l’inactivation de l’X, semblable à une aneuploïdie autosomique.
Les mécanismes précis qui contrôlent l’échappement de l’inactivation X ne sont pas connus, mais il a été démontré que les régions silencieuses et d’échappement présentent des marques de chromatine distinctes. Il a été suggéré que la sortie de l’inactivation de l’X pourrait être médiée par l’expression de longs ARN non codants (lncRNA) dans les domaines chromosomiques échappés.