X-inattivazione

Ciclo di attivazione del cromosoma X nei roditorimodifica

I paragrafi seguenti hanno a che fare solo con i roditori e non riflettono XI nella maggior parte dei mammiferi.L’inattivazione X fa parte del ciclo di attivazione del cromosoma X per tutta la vita femminile. L’uovo e lo zigote fecondato inizialmente utilizzano trascrizioni materne e l’intero genoma embrionale viene silenziato fino all’attivazione del genoma zigotico. Successivamente, tutte le cellule di topo subiscono un’inattivazione precoce e impressa del cromosoma X di derivazione paterna in embrioni a 4-8 stadi cellulari. I tessuti extraembrionici (che danno origine alla placenta e ad altri tessuti che sostengono l’embrione) mantengono questa inattivazione precoce impressa, e quindi solo il cromosoma X materno è attivo in questi tessuti.

All’inizio della blastocisti, questa iniziale inattivazione X impressa viene invertita nelle cellule della massa cellulare interna (che danno origine all’embrione), e in queste cellule entrambi i cromosomi X diventano nuovamente attivi. Ciascuna di queste cellule quindi inattiva in modo indipendente e casuale una copia del cromosoma X. Questo evento di inattivazione è irreversibile durante la vita dell’individuo, ad eccezione della linea germinale. Nella linea germinale femminile prima dell’ingresso meiotico, l’inattivazione X viene invertita, in modo che dopo la meiosi tutti gli ovociti aploidi contengano un singolo cromosoma X attivo.

OverviewEdit

L’Xi segna l’inattivo, Xa il cromosoma X attivo. XP denota il paterno e XM per denota il cromosoma X materno. Quando l’uovo (che porta XM), viene fecondato da uno spermatozoo (che porta una Y o una XP) si forma uno zigote diploide. Da zigote, attraverso la fase adulta, per la prossima generazione di uova, il cromosoma X, subisce le seguenti modifiche:

1. XiP XiM zigote → sottoposti a zygotic genoma di attivazione, portando:
2. XaP XaM → sottoposti impresso (paterno) X-inattivazione, portando:
3. XiP XaM → sottoposti a X-attivazione nei primi stadio di blastocisti, conduce a:
4. XaP XaM → sottoposti casuale X-inattivazione embrionale lignaggio (massa cellulare interna) nello stadio di blastocisti, portando a:
5. XiP XaM O XaP Xim → sottoposti a riattivazione X nelle cellule germinali primordiali prima della meiosi, portando a:
6. XAM XAP cellule germinali diploidi in arresto meiotico. Poiché la meiosi I completa solo con l’ovulazione, le cellule germinali umane esistono in questa fase dalle prime settimane di sviluppo fino alla pubertà. Il completamento della meiosi porta a:
7. XAM E XAP cellule germinali aploidi (uova).

Il ciclo di attivazione X è stato studiato al meglio nei topi, ma ci sono più studi negli esseri umani. Poiché la maggior parte delle prove proviene dai topi, lo schema sopra riportato rappresenta gli eventi nei topi. Il completamento della meiosi è semplificato qui per chiarezza. I passaggi 1-4 possono essere studiati in embrioni fecondati in vitro e in cellule staminali differenziate; la riattivazione X avviene nell’embrione in via di sviluppo e successivi passaggi (6-7) all’interno del corpo femminile, quindi molto più difficili da studiare.

TimingEdit

La tempistica di ogni processo dipende dalla specie, e in molti casi il tempo preciso è attivamente dibattuto.

Approximate timing of major events in the X chromosome activation cycle

	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	Casuale X-inattivazione embrionale lignaggio (massa cellulare interna)	Tardo stadio di blastocisti	Tardo stadio di blastocisti, dopo l’impianto
5	X-riattivazione nelle cellule germinali primordiali prima meiosi		Dalla prima settimana di sviluppo 4 fino alla settimana 14

Eredità di inattivazione di stato attraverso la cella generationsEdit

I discendenti di ogni cella che inattivato di un particolare cromosoma di X sarà anche disattivare stesso cromosoma. Questo fenomeno, che può essere osservato nella colorazione del guscio di testuggine gatti quando le femmine sono eterozigoti per il gene X-linked, non deve essere confuso con mosaicismo, che è un termine che si riferisce specificamente a differenze nel genotipo di diverse popolazioni di cellule in uno stesso individuo; X-inattivazione, che è un cambiamento epigenetico che si traduce in un diverso fenotipo, non è un cambiamento a livello genotipico. Per una singola cellula o stirpe l’inattivazione è quindi distorta o “non casuale”, e questo può dare origine a sintomi lievi in “portatori” femminili di disturbi genetici legati all’X.

Selezione di un cromosoma X attivomodiFica

Le femmine normali possiedono due cromosomi X, e in una data cellula un cromosoma sarà attivo (designato come Xa) e uno sarà inattivo (Xi). Tuttavia, studi su individui con copie extra del cromosoma X mostrano che nelle cellule con più di due cromosomi X c’è ancora solo un Xa e tutti i restanti cromosomi X sono inattivati. Ciò indica che lo stato predefinito del cromosoma X nelle femmine è l’inattivazione, ma un cromosoma X è sempre selezionato per rimanere attivo.

Resta inteso che l’inattivazione del cromosoma X è un processo casuale, che si verifica all’incirca al momento della gastrulazione nell’epiblasto (cellule che daranno origine all’embrione). I cromosomi X materni e paterni hanno un’uguale probabilità di inattivazione. Ciò suggerirebbe che ci si aspetterebbe che le donne soffrissero di disturbi legati all’X circa il 50% delle volte degli uomini (perché le donne hanno due cromosomi X, mentre gli uomini ne hanno solo uno); tuttavia, in realtà, l’insorgenza di questi disturbi nelle femmine è molto più bassa di quella. Una spiegazione di questa disparità è che il 12-20% dei geni sul cromosoma X inattivato rimane espresso, fornendo così alle donne una maggiore protezione contro i geni difettosi codificati dal cromosoma X. Alcuni suggeriscono che questa disparità deve essere la prova di inattivazione preferenziale (non casuale). L’inattivazione preferenziale del cromosoma X paterno si verifica sia nei marsupiali che nei lignaggi cellulari che formano le membrane che circondano l’embrione, mentre nei mammiferi placentari il cromosoma X di origine materna o paterna può essere inattivato in diverse linee cellulari.

Il periodo di tempo per l’inattivazione del cromosoma X spiega questa disparità. L’inattivazione si verifica nell’epiblasto durante la gastrulazione, che dà origine all’embrione. L’inattivazione si verifica a livello cellulare, con conseguente espressione a mosaico, in cui le patch di cellule hanno un cromosoma X materno inattivo, mentre altre patch hanno un cromosoma X paterno inattivo. Ad esempio, una femmina eterozigote per l’emofilia (una malattia legata all’X) avrebbe circa la metà delle sue cellule epatiche che funzionano correttamente, il che è in genere sufficiente per garantire una normale coagulazione del sangue. La possibilità potrebbe portare a cellule significativamente più disfunzionali; tuttavia, tali estremi statistici sono improbabili. Differenze genetiche sul cromosoma possono anche rendere un cromosoma X più probabilità di subire inattivazione. Inoltre, se un cromosoma X ha una mutazione che ostacola la sua crescita o lo rende non vitale, le cellule che hanno inattivato casualmente quell’X avranno un vantaggio selettivo sulle cellule che hanno inattivato casualmente l’allele normale. Pertanto, sebbene l’inattivazione sia inizialmente casuale, le cellule che inattivano un allele normale (lasciando attivo l’allele mutato) alla fine saranno ricoperte e sostituite da cellule funzionalmente normali in cui quasi tutte hanno lo stesso cromosoma X attivato.

Si ipotizza che esista un “fattore di blocco” autosomicamente codificato che si lega al cromosoma X e ne impedisce l’inattivazione. Il modello postula che esiste un fattore di blocco limitante, quindi una volta che la molecola del fattore di blocco disponibile si lega a un cromosoma X, i restanti cromosomi X non sono protetti dall’inattivazione. Questo modello è supportato dall’esistenza di un singolo Xa in cellule con molti cromosomi X e dall’esistenza di due cromosomi X attivi in linee cellulari con il doppio del numero normale di autosomi.

Le sequenze al centro di inattivazione X (XIC), presenti sul cromosoma X, controllano il silenziamento del cromosoma X. Si prevede che l’ipotetico fattore di blocco si leghi alle sequenze all’interno dell’XIC.

Espressione di disturbi legati all’X nelle femmine eterozigote

L’effetto dell’eterozigosità X femminile è evidente in alcuni tratti localizzati, come il modello di mantello unico di un gatto calico. Può essere più difficile, tuttavia, comprendere appieno l’espressione di tratti non localizzati in queste femmine, come l’espressione della malattia.

Poiché i maschi hanno solo una copia del cromosoma X, tutti i geni cromosomici X espressi (o alleli, nel caso di forme varianti multiple per un dato gene nella popolazione) si trovano su quella copia del cromosoma. Le femmine, tuttavia, esprimeranno principalmente i geni o gli alleli situati sulla copia cromosomica X che rimane attiva. Considerando la situazione per un gene o più geni che causano differenze individuali in un particolare fenotipo (cioè, causando variazioni osservate nella popolazione per quel fenotipo), nelle femmine omozigoti non importa particolarmente quale copia del cromosoma è inattivata, poiché gli alleli su entrambe le copie sono gli stessi. Tuttavia, nelle femmine che sono eterozigoti ai geni causali, l’inattivazione di una copia del cromosoma rispetto all’altra può avere un impatto diretto sul loro valore fenotipico. A causa di questo fenomeno, vi è un aumento osservato nella variazione fenotipica nelle femmine che sono eterozigoti al gene o ai geni coinvolti rispetto alle femmine che sono omozigoti a quel gene o quei geni. Ci sono molti modi diversi in cui la variazione fenotipica può giocare fuori. In molti casi, le femmine eterozigote possono essere asintomatiche o presentare solo sintomi minori di un dato disturbo, come l’adrenoleucodistrofia legata all’X.

La differenziazione del fenotipo nelle femmine eterozigoti è favorita dalla presenza di inclinazione dell’X-inattivazione. Tipicamente, ogni cromosoma X viene silenziato in metà delle cellule, ma questo processo viene distorto quando si verifica l’inattivazione preferenziale di un cromosoma. Si pensa che l’inclinazione avvenga per caso o per una caratteristica fisica di un cromosoma che può farla tacere più o meno spesso, come una mutazione sfavorevole.

In media, ogni cromosoma X è inattivato in metà delle cellule, tuttavia il 5-20% delle donne “apparentemente normali” mostra un’inclinazione dell’X-inattivazione. Nei casi in cui è presente un’inclinazione, può verificarsi un’ampia gamma di espressioni dei sintomi, con conseguente espressione che varia da minore a grave a seconda della proporzione di inclinazione. Un caso estremo di questo è stato visto dove i gemelli femminili monozigoti avevano un’estrema varianza nell’espressione della malattia di Menkes (un disturbo legato all’X) con conseguente morte di un gemello mentre l’altro rimaneva asintomatico.

Si pensa che l’inclinazione dell’X-inattivazione possa essere causata da problemi nel meccanismo che causa l’inattivazione o da problemi nel cromosoma stesso. Tuttavia, il legame tra fenotipo e inclinazione è ancora in discussione e dovrebbe essere esaminato caso per caso. Uno studio che ha esaminato sia le femmine sintomatiche che asintomatiche che erano eterozigoti per le distrofie muscolari di Duchenne e Becker (DMD) non ha trovato alcun legame apparente tra l’espressione della trascrizione e l’inattivazione X distorta. Lo studio suggerisce che entrambi i meccanismi sono regolati in modo indipendente e ci sono altri fattori sconosciuti in gioco.

Componente cromosomicomodifica

Il centro di inattivazione X (o semplicemente XIC) sul cromosoma X è necessario e sufficiente per causare l’inattivazione X. Le traslocazioni cromosomiche che collocano lo XIC su un autosoma portano all’inattivazione dell’autosoma e i cromosomi X privi dello XIC non sono inattivati.

L’XIC contiene quattro geni di RNA non tradotti, Xist, Tsix, Jpx e Ftx, che sono coinvolti nell’inattivazione dell’X. Lo XIC contiene anche siti di legame per proteine regolatrici note e sconosciute.

Xist e Tsix RNAsEdit

Il gene X-inactive specific transcript (Xist) codifica un grande RNA non codificante che è responsabile della mediazione del silenziamento specifico del cromosoma X da cui è trascritto. Il cromosoma X inattivo è rivestito da RNA Xist, mentre l’Xa non lo è (vedi Figura a destra). I cromosomi X che mancano del gene Xist non possono essere inattivati. Posizionare ed esprimere artificialmente il gene Xist su un altro cromosoma porta al silenziamento di quel cromosoma.

Prima dell’inattivazione, entrambi i cromosomi X esprimono debolmente l’RNA Xist dal gene Xist. Durante il processo di inattivazione, il futuro Xa cessa di esprimere Xist, mentre il futuro Xi aumenta drasticamente la produzione di RNA Xist. Sul futuro Xi, l’RNA Xist ricopre progressivamente il cromosoma, diffondendosi dallo XIC; l’RNA Xist non si localizza nell’Xa. Il silenziamento dei geni lungo l’Xi si verifica subito dopo il rivestimento da Xist RNA.

Come Xist, il gene Tsix codifica un grande RNA che non si crede codifichi una proteina. Il Tsix RNA è trascritto antisenso a Xist, il che significa che il gene Tsix si sovrappone al gene Xist ed è trascritto sul filamento opposto di DNA dal gene Xist. Tsix è un regolatore negativo di Xist; I cromosomi X privi di espressione Tsix (e quindi con alti livelli di trascrizione Xist) sono inattivati molto più frequentemente dei cromosomi normali.

Come Xist, prima dell’inattivazione, entrambi i cromosomi X esprimono debolmente l’RNA Tsix dal gene Tsix. All’inizio dell’inattivazione X, il futuro Xi cessa di esprimere Tsix RNA (e aumenta l’espressione Xist), mentre Xa continua ad esprimere Tsix per diversi giorni.

Rep A è un RNA lungo non codificante che funziona con un altro RNA lungo non codificante, Xist, per l’inattivazione X. Rep A inibisce la funzione di Tsix, l’antisenso di Xist, in congiunzione con l’eliminazione dell’espressione di Xite. Promuove la metilazione della regione Tsix attirando PRC2 e quindi inattivando uno dei cromosomi X.

SilencingEdit

Il cromosoma X inattivo non esprime la maggior parte dei suoi geni, a differenza del cromosoma X attivo. Ciò è dovuto al silenziamento dell’Xi mediante eterocromatina repressiva, che compatta il DNA Xi e impedisce l’espressione della maggior parte dei geni.

Rispetto al Xa, l’Xi ha alti livelli di metilazione del DNA, bassi livelli di acetilazione dell’istone, bassi livelli di metilazione dell’istone H3 lysine-4 e alti livelli di metilazione dell’istone H3 lysine – 9 e marchio di metilazione H3 lysine-27 che è posto dal complesso PRC2 reclutato da Xist, tutti associati al silenziamento genico. PRC2 regola la compattazione della cromatina ed il rimodellamento della cromatina in parecchi processi compreso la risposta di danno del DNA. Inoltre, una variante dell’istone chiamata macroH2A (H2AFY) si trova esclusivamente sui nucleosomi lungo l’Xi.

Barr bodiesEdit

Il DNA confezionato in eterocromatina, come l’Xi, è più condensato del DNA confezionato in euchromatina, come l’Xa. La X inattiva forma un corpo discreto all’interno del nucleo chiamato corpo di Barr. Il corpo di Barr si trova generalmente sulla periferia del nucleo, è in ritardo replicando all’interno del ciclo cellulare, e, come contiene l’Xi, contiene modifiche eterocromatina e l’RNA Xist.

Geni espressi sul cromosoma X inattivomodifica

Una frazione dei geni lungo il cromosoma X sfugge all’inattivazione sull’Xi. Il gene Xist è espresso ad alti livelli sull’Xi e non è espresso sull’Xa. Molti altri geni sfuggono all’inattivazione; alcuni sono espressi allo stesso modo dall’Xa e dall’Xi, e altri, mentre sono espressi da entrambi i cromosomi, sono ancora prevalentemente espressi dall’Xa. Fino a un quarto dei geni sull’Xi umano sono in grado di sfuggire. Studi nel topo suggeriscono che in un dato tipo di cellula, dal 3% al 15% dei geni sfuggono all’inattivazione e che l’identità genica sfuggente varia tra i tessuti.

Molti dei geni che sfuggono all’inattivazione sono presenti lungo le regioni del cromosoma X che, a differenza della maggior parte del cromosoma X, contengono geni presenti anche sul cromosoma Y. Queste regioni sono definite regioni pseudoautosomiche, come individui di entrambi i sessi riceveranno due copie di ogni gene in queste regioni (come un autosoma), a differenza della maggior parte dei geni lungo i cromosomi sessuali. Poiché gli individui di entrambi i sessi riceveranno due copie di ogni gene in una regione pseudoautosomiale, non è necessaria alcuna compensazione del dosaggio per le femmine, quindi è postulato che queste regioni del DNA abbiano evoluto meccanismi per sfuggire all’inattivazione X. I geni delle regioni pseudoautosomiali dell’Xi non hanno le modificazioni tipiche dell’Xi e hanno poco legame con l’RNA Xist.

L’esistenza di geni lungo l’X inattivo che non sono silenziati spiega i difetti negli esseri umani con numeri anormali del cromosoma X, come la sindrome di Turner (X0) o la sindrome di Klinefelter (XXY). Teoricamente, l’inattivazione X dovrebbe eliminare le differenze nel dosaggio genico tra individui affetti e individui con un normale complemento cromosomico. Negli individui affetti, tuttavia, l’inattivazione X è incompleta e il dosaggio di questi geni non silenziati differirà man mano che sfuggono all’inattivazione X, simile a un’aneuploidia autosomica.

I meccanismi precisi che controllano la fuga dall’inattivazione X non sono noti, ma le regioni silenziate e di fuga hanno dimostrato di avere segni distinti di cromatina. È stato suggerito che la fuga dall’inattivazione X potrebbe essere mediata dall’espressione di RNA non codificante lungo (lncRNA) all’interno dei domini cromosomici in fuga.