cyclus van X-chromosoomactivering bij rodentsEdit
de onderstaande paragrafen hebben alleen betrekking op knaagdieren en geven bij de meeste zoogdieren geen XI weer.X-inactivatie maakt deel uit van de activeringscyclus van het chromosoom van X door het vrouwelijke leven. Het ei en de bevruchte zygote gebruiken aanvankelijk maternale transcripten, en het gehele embryonale genoom wordt tot zygotische genoomactivering tot zwijgen gebracht. Daarna ondergaan alle muiscellen een vroege, bedrukte inactivering van het paternaal-afgeleide X-chromosoom in embryo ‘ s van het 4-8-celstadium. De extra-embryonale weefsels (die aanleiding geven tot de placenta en andere weefsels die het embryo ondersteunen) behouden deze vroege inactivatie, en dus is alleen het maternale X-chromosoom actief in deze weefsels.
in de vroege blastocyst wordt deze initiële, ingeprente x-inactivatie omgekeerd in de cellen van de inwendige celmassa (die het embryo veroorzaken), en in deze cellen worden beide X-chromosomen weer actief. Elk van deze cellen dan onafhankelijk en willekeurig inactiveert één exemplaar van het chromosoom van X. Deze inactivering is onomkeerbaar gedurende het leven van het individu, met uitzondering van de kiemlijn. In de vrouwelijke kiemlijn vóór meiotische ingang, wordt X-inactivatie omgekeerd, zodat na meiosis alle haploïde oocytes één enkel actief chromosoom van X bevatten.
overview
De Xi markeert het inactieve, Xa het actieve X-chromosoom. XP duidt het vaderlijke aan, en XM wijst het moederlijke chromosoom van X aan. Wanneer het ei (dat XM draagt), bevrucht wordt door een sperma (dat een Y of een XP draagt) vormt zich een diploïde zygote. Van zygote, via het volwassen stadium, tot de volgende generatie eieren, ondergaat het X-chromosoom de volgende veranderingen:
- XiP XiM zygote → zygotische genoomactivering ondergaan, wat leidt tot:
- XaP XaM → imprinted (paternal) x-inactivering, wat leidt tot:
- XiP XaM → x-activering ondergaan in het vroege blastocyste stadium, wat leidt tot:
- XaP XaM → willekeurig ondergaan X-inactivatie in de embryonale lijn (binnencelmassa) in het blastocyststadium, leidend tot:
- XiP XaM of XaP XiM → x-reactivering ondergaan in primordiale kiemcellen vóór meiose, wat leidt tot:
- Xam XAP diploïde kiemcellen bij meiotische arrestatie. Aangezien de meiosis I slechts met ovulatie voltooit, bestaan menselijke kiemcellen in dit stadium van de eerste weken van ontwikkeling tot puberteit. De voltooiing van meiose leidt tot:
- XaM en XAP haploïde kiemcellen (eieren).
de x-activatiecyclus is het best onderzocht bij muizen, maar er zijn meerdere onderzoeken bij mensen. Aangezien het grootste deel van het bewijsmateriaal van muizen komt, vertegenwoordigt het bovenstaande schema de gebeurtenissen in muizen. De voltooiing van de meiose wordt hier vereenvoudigd voor de duidelijkheid. De stappen 1-4 kunnen in in vitro bevruchte embryo ‘ s worden bestudeerd, en in het differentiëren van stamcellen; X-reactivering gebeurt in het zich ontwikkelende embryo, en volgende (6-7) stappen in het vrouwelijke lichaam, daarom veel moeilijker te bestuderen.
TimingEdit
De timing van elk proces hangt af van de soort, en in veel gevallen wordt de precieze tijd actief besproken.
| 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 | Willekeurige X-inactivatie in de embryonale afkomst (inner cell mass) | Laat blastocystestadium | Laat blastocystestadium na de implantatie |
| 5 | X-reactivering in de primordiale kiemcellen voor de meiose | Van voor ontwikkelingsstoornissen week 4 tot week 14 |
de Erfenis van inactivatie status in cel generationsEdit
De nakomelingen van elke cel die geïnactiveerd een bepaalde X-chromosoom zal ook de biosynthese van die hetzelfde chromosoom. Dit fenomeen, dat kan worden waargenomen in de kleuring van tortoiseshell katten wanneer vrouwtjes heterozygoot zijn voor het X-gebonden gen, moet niet worden verward met mozaïcisme, een term die specifiek verwijst naar verschillen in het genotype van verschillende celpopulaties in hetzelfde individu; X-inactivatie, een epigenetische verandering die resulteert in een ander fenotype, is geen verandering op genotypisch niveau. Voor een individuele cel of afstamming is de inactivatie daarom scheef of ‘niet-willekeurig’, en dit kan leiden tot milde symptomen bij vrouwelijke’ dragers ‘ van X-gebonden genetische aandoeningen.
selectie van één actief x-chromosoomdit
normale vrouwtjes bezitten twee X-chromosomen, en in elke cel zal één chromosoom actief zijn (aangeduid als Xa) en één inactief zijn (Xi). Nochtans, tonen de studies van individuen met extra exemplaren van het chromosoom van X aan dat in cellen met meer dan twee chromosomen van X er nog slechts één XA is, en alle overblijvende chromosomen van X worden geïnactiveerd. Dit wijst erop dat de standaardtoestand van het chromosoom van X in wijfjes inactivering is, maar één chromosoom van X wordt altijd geselecteerd om actief te blijven.
Het is duidelijk dat X-chromosoominactivatie een willekeurig proces is, dat plaatsvindt rond het tijdstip van gastrulatie in het epiblast (cellen die het embryo zullen veroorzaken). De moeder-en vaderlijke X-chromosomen hebben een gelijke kans op inactivering. Dit zou suggereren dat vrouwen zouden worden verwacht aan X-gebonden aandoeningen ongeveer 50% zo vaak als mannen (omdat vrouwen hebben twee X-chromosomen, terwijl mannen hebben slechts één); echter, in werkelijkheid, het optreden van deze aandoeningen bij vrouwen is veel lager dan dat. Een verklaring voor dit verschil is dat 12-20% van de genen op het geïnactiveerde X-chromosoom tot expressie blijven komen, waardoor vrouwen extra bescherming krijgen tegen defecte genen die door het X-chromosoom worden gecodeerd. Sommigen suggereren dat dit verschil bewijs moet zijn van preferentiële (niet-willekeurige) inactivering. De preferentiële inactivering van het vaderlijke X-chromosoom komt in zowel buideldieren als in cellijnen voor die de membranen vormen die het embryo omringen, terwijl in placentalzoogdieren hetzij het maternaal of het paternaal afgeleide X-chromosoom in verschillende cellijnen kunnen worden geïnactiveerd.
de tijdsperiode voor inactivatie van X-chromosomen verklaart deze ongelijkheid. Inactivatie vindt plaats in de epiblast tijdens gastrulatie, die aanleiding geeft tot het embryo. De inactivatie komt op een cellulair niveau voor, resulterend in een mozaïekuitdrukking, waarin de flarden van cellen een inactief maternaal X-chromosoom hebben, terwijl andere flarden een inactief vaderlijk X-chromosoom hebben. Bijvoorbeeld, zou een vrouwelijke heterozygoot voor hemofilie (een X-gebonden ziekte) ongeveer de helft van haar levercellen goed functioneren, wat typisch genoeg is om normale bloedstolling te verzekeren. Kans kan leiden tot aanzienlijk meer disfunctionele cellen; echter, dergelijke statistische extremen zijn onwaarschijnlijk. De genetische verschillen op het chromosoom kunnen ook één X-chromosoom maken waarschijnlijker om inactivering te ondergaan. Ook, als één X-chromosoom een verandering heeft die zijn groei belemmert of het niet levensvatbaar maakt, zullen cellen die willekeurig dat X hebben geïnactiveerd een selectief voordeel hebben over cellen die willekeurig het normale allel hebben geïnactiveerd. Dus, hoewel inactivatie aanvankelijk willekeurig is, zullen cellen die een normaal allel inactiveren (waarbij het gemuteerde allel actief blijft) uiteindelijk overwoekerd en vervangen worden door functioneel normale cellen waarin bijna allemaal hetzelfde X-chromosoom geactiveerd is.
Er wordt verondersteld dat er een autosomaal gecodeerde ‘blokkeringsfactor’ bestaat die zich bindt aan het X-chromosoom en de inactivatie ervan voorkomt. Het model stelt dat er een beperkende blokkerende factor is, dus zodra het beschikbare molecuul van de blokkerende factor aan één X-chromosoom bindt, worden de resterende chromosomen van X niet beschermd tegen inactivatie. Dit model wordt gesteund door het bestaan van één enkele XA in cellen met vele chromosomen van X en door het bestaan van twee actieve chromosomen van X in cellijnen met tweemaal het normale aantal autosomen.
sequenties in het X-inactivatiecentrum (XIC), aanwezig op het X-chromosoom, regelen het tot zwijgen brengen van het X-chromosoom. De hypothetische blokkerende factor wordt voorspeld om aan opeenvolgingen binnen XIC te binden.
expressie van X-gebonden aandoeningen bij heterozygote vrouwenedit
het effect van vrouwelijke X-heterozygositeit is duidelijk in enkele gelokaliseerde eigenschappen, zoals het unieke vachtpatroon van een calico kat. Het kan moeilijker zijn, echter, om de uitdrukking van niet-gelokaliseerde eigenschappen in deze wijfjes, zoals de uitdrukking van ziekte volledig te begrijpen.
aangezien mannetjes slechts één kopie van het X-chromosoom hebben, bevinden alle tot expressie gebrachte x-chromosomale genen (of allelen, in het geval van meerdere varianten voor een bepaald gen in de populatie) zich op die kopie van het chromosoom. De wijfjes, echter, zullen hoofdzakelijk de genen of allelen uitdrukken die op het X-chromosomale exemplaar worden gevestigd dat actief blijft. Gezien de situatie voor één gen of meerdere genen die individuele verschillen veroorzaken in een bepaald fenotype (dat wil zeggen, het veroorzaken van variatie waargenomen in de populatie voor dat fenotype), maakt het bij homozygote vrouwtjes niet bijzonder uit welke kopie van het chromosoom geïnactiveerd wordt, aangezien de allelen op beide kopieën hetzelfde zijn. Nochtans, in wijfjes die heterozygoot bij de causale genen zijn, kan de inactivering van één exemplaar van het chromosoom over andere een directe invloed op hun fenotypic waarde hebben. Vanwege dit fenomeen is er een waargenomen toename in fenotypische variatie bij vrouwtjes die heterozygoot zijn bij het betrokken gen of de betrokken genen dan bij vrouwtjes die homozygoot zijn bij dat gen of die genen. Er zijn veel verschillende manieren waarop de fenotypische variatie zich kan afspelen. In veel gevallen kunnen heterozygote vrouwen asymptomatisch zijn of slechts lichte symptomen van een bepaalde aandoening vertonen, zoals met X-gebonden adrenoleukodystrofie.
de differentiatie van het fenotype bij heterozygote vrouwtjes wordt bevorderd door de aanwezigheid van scheeftrekking van X-inactivatie. Typisch, wordt elk X-chromosoom tot zwijgen gebracht in de helft van de cellen, maar dit proces wordt scheef wanneer de preferentiële inactivering van een chromosoom voorkomt. Er wordt gedacht dat scheeftrekken gebeurt hetzij door toeval of door een fysiek kenmerk van een chromosoom dat ertoe kan leiden dat het min of meer vaak tot zwijgen wordt gebracht, zoals een ongunstige mutatie.
gemiddeld wordt elk X-chromosoom in de helft van de cellen geïnactiveerd, maar 5-20% van de “ogenschijnlijk normale” vrouwen vertonen een vertekend X-inactivering. In gevallen waar schuintrekken aanwezig is, kan een brede waaier van symptoomuitdrukking voorkomen, resulterend in uitdrukking variërend van minder belangrijk tot streng afhankelijk van de schuintrekken verhouding. Een extreem geval hiervan werd gezien waar monozygotische vrouwelijke tweelingen extreme variantie hadden in expressie van de ziekte van Menkes (een X-gebonden aandoening) resulterend in de dood van de ene tweeling terwijl de andere asymptomatisch bleef.
men denkt dat X-inactivatie scheeftrekking kan worden veroorzaakt door problemen in het mechanisme dat inactivatie veroorzaakt, of door problemen in het chromosoom zelf. Het verband tussen fenotype en scheeftrekking wordt echter nog steeds in twijfel getrokken en MOET van geval tot geval worden onderzocht. Een studie die zowel symptomatische als asymptomatische vrouwen onderzocht die heterozygoot waren voor Duchenne en Becker muscular dystrofies (DMD) vond geen duidelijk verband tussen transcript expressie en scheve X-inactivatie. De studie suggereert dat beide mechanismen onafhankelijk worden gereguleerd, en er zijn andere onbekende factoren in het spel.
chromosomale componentEdit
Het x-inactivatiecentrum (of gewoon XIC) op het X-chromosoom is noodzakelijk en voldoende om X-inactivatie te veroorzaken. Chromosomale translocaties die XIC op een autosoom plaatsen leiden tot inactivatie van het autosoom, en X-chromosomen die XIC niet hebben, worden niet geïnactiveerd.
het XIC bevat vier Niet-vertaalde RNA-genen, Xist, Tsix, Jpx en Ftx, die betrokken zijn bij X-inactivatie. XIC bevat ook bindingsplaatsen voor zowel bekende als Onbekende regelgevende proteã nen.
Xist en Tsix RNAsEdit
Het Gen X-inactief specifiek transcript (Xist) codeert voor een groot niet-coderend RNA dat verantwoordelijk is voor het tot zwijgen brengen van het specifieke X-chromosoom waaruit het wordt getranscribeerd. Het inactieve X-chromosoom wordt gecoat door Xist-RNA, terwijl Xa dat niet is (zie figuur rechts). X-chromosomen die het Xist-gen missen, kunnen niet worden geïnactiveerd. Het kunstmatig plaatsen en uitdrukken van het Xist-gen op een ander chromosoom leidt tot het tot zwijgen brengen van dat chromosoom.
voorafgaand aan inactivatie drukken beide X-chromosomen zwak Xist-RNA uit het Xist-gen uit. Tijdens het inactiveringsproces, houdt toekomstige Xa op Xist uit te drukken, terwijl toekomstige Xi de productie van Xist-RNA dramatisch verhoogt. Op de toekomstige Xi, bedekt Xist RNA progressief het chromosoom, uitsprekend van XIC; het Xist RNA lokaliseert niet aan Xa. Het tot zwijgen brengen van genen langs Xi komt snel na het bedekken door Xist RNA voor.
net als Xist codeert het Tsix-gen een groot RNA waarvan niet wordt aangenomen dat het een eiwit codeert. Tsix-RNA wordt antisense getranscribeerd aan Xist, wat betekent dat het Tsix-gen het Xist-gen overlapt en op de tegenovergestelde bundel van DNA van het Xist-gen wordt getranscribeerd. Tsix is een negatieve regulator van Xist; X-chromosomen die geen Tsix-expressie hebben (en dus hoge niveaus van Xist-transcriptie hebben) worden veel vaker geïnactiveerd dan normale chromosomen.
net als Xist, vóór inactivatie, drukken beide X-chromosomen zwak Tsix RNA uit het Tsix-gen uit. Op het begin van X-inactivatie, houdt de toekomstige Xi op om Tsix RNA uit te drukken (en verhoogt Xist uitdrukking), terwijl Xa blijft om Tsix voor verscheidene dagen uit te drukken.
Rep A is een lang niet-coderend RNA dat werkt met een ander lang niet-coderend RNA, Xist, voor X-inactivatie. Rep a remt de functie van Tsix, het antisense van Xist, in combinatie met het elimineren van expressie van Xite. Het bevordert methylation van het Tsix-gebied door PRC2 aan te trekken en zo één van de chromosomen van X te inactiveren.
SilencingEdit
het inactieve X-chromosoom drukt de meerderheid van zijn genen niet uit, in tegenstelling tot het actieve X-chromosoom. Dit is toe te schrijven aan het tot zwijgen brengen van Xi door repressieve heterochromatin, die DNA van Xi compacts en de uitdrukking van de meeste genen verhindert.
in vergelijking met de XA heeft de Xi hoge gehalten aan DNA-methylering, lage gehalten aan Histon-acetylering, lage gehalten aan Histon-H3-lysine-4-methylering en hoge gehalten aan Histon-h3-lysine-9-methylering en H3-lysine-27-methyleringsmarkering die wordt geplaatst door het PRC2-complex dat door Xist wordt gerekruteerd, die allemaal worden geassocieerd met gengeluiddemping. PRC2 regelt chromatin verdichting en chromatin het remodelleren in verscheidene processen met inbegrip van de de schadereactie van DNA. Bovendien, wordt een histone variant genoemd macroH2A (H2AFY) uitsluitend gevonden op nucleosomen langs Xi.
Barr bodiesEdit
DNA verpakt in heterochromatine, zoals de Xi, is meer gecondenseerd dan DNA verpakt in euchromatine, zoals de Xa. De inactieve X vormt een discrete lichaam binnen de kern genoemd een Barr lichaam. Het Barr-lichaam wordt over het algemeen gevestigd op de periferie van de kern, is laat replicerend binnen de celcyclus, en, aangezien het Xi bevat, bevat heterochromatin wijzigingen en het RNA van Xist.
tot expressie gebrachte genen op het inactieve x-chromosoomdit
een fractie van de genen langs het X-chromosoom ontsnapt aan inactivatie op het Xi. het Xist-gen wordt op hoge niveaus op het Xi tot expressie gebracht en niet op het Xa. Vele andere genen ontsnappen aan inactivering; sommige worden gelijkelijk uitgedrukt uit de XA en Xi, en anderen, terwijl uitgedrukt uit beide chromosomen, worden nog steeds overwegend uitgedrukt uit de Xa. Tot een kwart van de genen op de menselijke Xi is in staat om te ontsnappen. Studies bij de muis suggereren dat in een bepaald celtype, 3% tot 15% van de genen ontsnappen aan inactivatie, en dat ontsnappen gen identiteit varieert tussen weefsels.
veel van de genen die aan inactivatie ontsnappen, zijn aanwezig langs gebieden van het X-chromosoom die, in tegenstelling tot de meerderheid van het X-chromosoom, genen bevatten die ook aanwezig zijn op het Y-chromosoom. Deze gebieden worden genoemd pseudoautosomal gebieden, aangezien de individuen van één van beide geslacht twee exemplaren van elk gen in deze gebieden (als autosome) zullen ontvangen, in tegenstelling tot de meerderheid van genen langs de geslachtschromosomen. Aangezien individuen van één van beide geslachten twee exemplaren van elk gen in een pseudoautosomal gebied zullen ontvangen, is geen doseringscompensatie nodig voor wijfjes, zodat wordt verondersteld dat deze gebieden van DNA mechanismen hebben geëvolueerd om X-inactivering te ontsnappen. De genen van pseudoautosomale gebieden van Xi hebben niet de typische wijzigingen van Xi en hebben weinig Xist RNA gebonden.
het bestaan van genen langs de inactieve X die niet tot zwijgen worden gebracht verklaart de defecten bij mensen met abnormale aantallen van het X-chromosoom, zoals het Turner-syndroom (X0) of het Klinefelter-syndroom (XXY). Theoretisch, zou X-inactivering de verschillen in gendosering tussen getroffen individuen en individuen met een normale chromosoomsupplement moeten elimineren. In getroffen individuen, echter, X-inactivatie is onvolledig en de dosering van deze niet-zwijgen genen zal verschillen als ze ontsnappen X-inactivatie, vergelijkbaar met een autosomale aneuploïdie.
De precieze mechanismen die ontsnappen aan X-inactivatie controleren zijn niet bekend, maar de geluiddempende en ontsnappingsgebieden hebben duidelijke chromatinesporen. Men heeft voorgesteld dat de ontsnapping van X-inactivering door uitdrukking van lang niet-coderend RNA (lncRNA) binnen de ontsnappende chromosomale domeinen zou kunnen worden bemiddeld.