cykel av X-kromosomaktivering i rodentsEdit
punkterna nedan har endast att göra med gnagare och återspeglar inte XI i majoriteten av däggdjur.X-inaktivering är en del av aktiveringscykeln för X-kromosomen under hela det kvinnliga livet. Ägget och den befruktade zygoten använder initialt maternella transkript, och hela embryonala genomet tystas tills zygotisk genomaktivering. Därefter genomgår alla musceller en tidig, imprinted inaktivering av den faderliga härledda X-kromosomen i 4-8 cellstegsembryon. De extraembryoniska vävnaderna (som ger upphov till moderkakan och andra vävnader som stöder embryot) behåller denna tidiga präglade inaktivering, och således är endast moderns X-kromosom aktiv i dessa vävnader.
i den tidiga blastocysten reverseras denna initiala, imprintade X-inaktivering i cellerna i den inre cellmassan (som ger upphov till embryot), och i dessa celler blir båda X-kromosomerna aktiva igen. Var och en av dessa celler inaktiverar sedan oberoende och slumpmässigt en kopia av X-kromosomen. Denna inaktiveringshändelse är irreversibel under individens livstid, med undantag för groddlinjen. I den kvinnliga könslinjen före meiotisk inträde vänds X-inaktivering, så att alla haploida oocyter efter meios innehåller en enda aktiv X-kromosom.
OverviewEdit
Xi markerar den inaktiva, Xa den aktiva X-kromosomen. XP betecknar Fadern, och XM betecknar moderns X-kromosom. När ägget (bär XM) befruktas av en sperma (bär en Y eller en XP) bildas en diploid zygot. Från zygote, genom vuxenstadiet, till nästa generation ägg, genomgår X-kromosomen följande förändringar:
- XiP XiM zygote activation genomgår zygotisk genomaktivering, vilket leder till:
- XAP xam activation genomgår imprinted (paternal) X-inactivation, vilket leder till:
- XiP xam activation genomgår X-aktivering i det tidiga blastocyststadiet, vilket leder till:
- XAP xam activation genomgår slumpmässig X-inaktivering, vilket leder till:
- XAP xam activation genomgår inaktivering i embryonal härstamning (inre cellmassa) i blastocyststadiet, vilket leder till:
- XiP XaM eller XaP XiM Macau genomgår X-reaktivering i primordiala bakterieceller före meios, vilket leder till:
- xam XaP diploida bakterieceller i meiotisk arrestering. Eftersom meios jag bara fullbordar med ägglossning finns mänskliga bakterieceller i detta skede från de första veckorna av utveckling till puberteten. Slutförandet av meios leder till:
- XaM och XaP haploida bakterieceller (ägg).
X-aktiveringscykeln har bäst studerats hos möss, men det finns flera studier på människor. Eftersom de flesta bevisen kommer från möss representerar ovanstående schema händelserna hos möss. Slutförandet av meiosen förenklas här för tydlighet. Steg 1-4 kan studeras i in vitro befruktade embryon och vid differentiering av stamceller; X-reaktivering sker i det utvecklande embryot och efterföljande (6-7) steg inuti kvinnokroppen, därför mycket svårare att studera.
TimingEdit
tidpunkten för varje process beror på arten, och i många fall diskuteras den exakta tiden aktivt.
| 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 | slumpmässig X-inaktivering i embryonal härstamning (inre cellmassa) | sen blastocyststadium | sen blastocyststadium, efter implantation | 5 | X-reaktivering i primordiala könsceller före meios | från före utvecklingsvecka 4 upp till Vecka 14 |
arv av inaktiveringsstatus över cellgenerationsedit
ättlingarna till varje cell som inaktiverade en viss X-kromosom inaktiverar också samma kromosom. Detta fenomen, som kan observeras vid färgning av sköldpaddskatter när kvinnor är heterozygota för den X-länkade genen, bör inte förväxlas med mosaicism, vilket är en term som specifikt hänvisar till skillnader i genotypen hos olika cellpopulationer i samma individ; X-inaktivering, som är en epigenetisk förändring som resulterar i en annan fenotyp, är inte en förändring på genotypisk nivå. För en enskild cell eller härstamning är inaktiveringen därför skev eller ’icke-slumpmässig’, och detta kan ge upphov till milda symtom hos kvinnliga ’bärare’ av X-länkade genetiska störningar.
val av en aktiv x-kromosomedit
normala kvinnor har två X-kromosomer, och i en given cell kommer en kromosom att vara aktiv (betecknad som Xa) och en kommer att vara inaktiv (Xi). Studier av individer med extra kopior av X-kromosomen visar emellertid att i celler med mer än två X-kromosomer finns det fortfarande bara en Xa, och alla återstående X-kromosomer inaktiveras. Detta indikerar att standardtillståndet för X-kromosomen hos kvinnor är inaktivering, men en X-kromosom väljs alltid för att förbli aktiv.
det är underförstått att X-kromosominaktivering är en slumpmässig process som uppträder vid ungefär tiden för gastrulation i epiblasten (celler som kommer att ge upphov till embryot). Moderns och faderns X-kromosomer har lika stor sannolikhet för inaktivering. Detta tyder på att kvinnor förväntas drabbas av X-länkade störningar ungefär 50% så ofta som män (eftersom kvinnor har två X-kromosomer, medan män bara har en); i själva verket är förekomsten av dessa störningar hos kvinnor mycket lägre än så. En förklaring till denna skillnad är att 12-20% av generna på den inaktiverade X-kromosomen förblir uttryckta, vilket ger kvinnor extra skydd mot defekta gener kodade av X-kromosomen. Vissa föreslår att denna skillnad måste vara bevis på förmånlig (icke-slumpmässig) inaktivering. Preferensinaktivering av den faderliga X-kromosomen förekommer i både pungdjur och i celllinjer som bildar membranen som omger embryot, medan i placenta däggdjur antingen den maternella eller den faderliga härledda X-kromosomen kan inaktiveras i olika cellinjer.
tidsperioden för X-kromosominaktivering förklarar denna skillnad. Inaktivering sker i epiblasten under gastrulation, vilket ger upphov till embryot. Inaktivering sker på cellulär nivå, vilket resulterar i ett mosaikuttryck, där fläckar av celler har en inaktiv maternell X-kromosom, medan andra fläckar har en inaktiv faderlig X-kromosom. Till exempel skulle en kvinnlig heterozygot för hemofili (en X-länkad sjukdom) ha ungefär hälften av hennes leverceller som fungerar korrekt, vilket vanligtvis är tillräckligt för att säkerställa normal blodkoagulering. Chans kan resultera i betydligt mer dysfunktionella celler; sådana statistiska ytterligheter är dock osannolika. Genetiska skillnader på kromosomen kan också göra en X-kromosom mer sannolikt att genomgå inaktivering. Om en X-kromosom har en mutation som hindrar dess tillväxt eller gör den icke livskraftig, kommer celler som slumpmässigt inaktiverade Det X att ha en selektiv fördel jämfört med celler som slumpmässigt inaktiverade den normala allelen. Således, även om inaktivering initialt är slumpmässig, celler som inaktiverar en normal allel (lämnar den muterade allelen aktiv) kommer så småningom att övervuxna och ersättas av funktionellt normala celler där nästan alla har samma X-kromosom aktiverad.
det antas att det finns en autosomalt kodad ’blockeringsfaktor’ som binder till X-kromosomen och förhindrar dess inaktivering. Modellen postulerar att det finns en begränsande blockeringsfaktor, så när den tillgängliga blockeringsfaktormolekylen binder till en X-kromosom är de återstående X-kromosomerna inte skyddade från inaktivering. Denna modell stöds av förekomsten av en enda Xa i celler med många X-kromosomer och av förekomsten av två aktiva X-kromosomer i cellinjer med dubbelt så många autosomer.
sekvenser vid x-inaktiveringscentret (XIC), närvarande på X-kromosomen, styr tystnaden av X-kromosomen. Den hypotetiska blockeringsfaktorn förutses binda till sekvenser inom XIC.
uttryck av X-länkade störningar hos heterozygot kvinnaredigera
effekten av kvinnlig X-heterozygositet är uppenbar i vissa lokaliserade egenskaper, såsom det unika kappmönstret hos en calico-katt. Det kan dock vara svårare att fullt ut förstå uttrycket av icke-lokaliserade egenskaper hos dessa kvinnor, såsom uttryck av sjukdom.eftersom män bara har en kopia av X-kromosomen finns alla uttryckta X-kromosomala gener (eller alleler, i fallet med flera variantformer för en given gen i populationen) på den kopian av kromosomen. Kvinnor kommer emellertid främst att uttrycka generna eller allelerna som finns på den X-kromosomala kopian som förblir aktiv. Med tanke på situationen för en gen eller flera gener som orsakar individuella skillnader i en viss fenotyp (dvs orsakar variation observerad i populationen för den fenotypen), spelar det inte särskilt roll i homozygota kvinnor vilken kopia av kromosomen är inaktiverad, eftersom allelerna på båda kopiorna är desamma. Men hos kvinnor som är heterozygota vid kausalgenerna kan inaktiveringen av en kopia av kromosomen över den andra ha en direkt inverkan på deras fenotypiska värde. På grund av detta fenomen observeras en ökning av fenotypisk variation hos kvinnor som är heterozygota vid den involverade genen eller generna än hos kvinnor som är homozygota vid den genen eller de generna. Det finns många olika sätt på vilka den fenotypiska variationen kan spela ut. I många fall kan heterozygota kvinnor vara asymptomatiska eller endast uppvisa mindre symtom på en given störning, såsom med X-länkad Adrenoleukodystrofi.
differentieringen av fenotyp hos heterozygota kvinnor främjas genom närvaron av X-inaktivering skevning. Typiskt tystas varje X-kromosom i hälften av cellerna, men denna process är skev när preferensinaktivering av en kromosom uppträder. Man tror att skevning sker antingen av en slump eller av en fysisk egenskap hos en kromosom som kan få den att tystas mer eller mindre ofta, såsom en ogynnsam mutation.
i genomsnitt inaktiveras varje X-kromosom i hälften av cellerna, men 5-20% av ”uppenbarligen normala” kvinnor visar X-inaktivering. I fall där skevning är närvarande kan ett brett spektrum av symtomuttryck uppstå, vilket resulterar i uttryck som varierar från mindre till svår beroende på skevningsproportionen. Ett extremt fall av detta sågs där monozygotiska kvinnliga tvillingar hade extrem varians i uttryck av Menkes sjukdom (en X-länkad sjukdom) vilket resulterade i döden av en tvilling medan den andra förblev asymptomatisk.
Man tror att X-inaktivering skevning kan orsakas av problem i mekanismen som orsakar inaktivering, eller av problem i själva kromosomen. Kopplingen mellan fenotyp och skevning ifrågasätts emellertid fortfarande och bör undersökas från fall till fall. En studie som tittade på både symptomatiska och asymptomatiska kvinnor som var heterozygota för Duchenne och Becker muskeldystrofier (DMD) fann ingen uppenbar koppling mellan transkriptuttryck och skev X-inaktivering. Studien tyder på att båda mekanismerna är oberoende reglerade, och det finns andra okända faktorer som spelar in.
Kromosomkomponentedit
x-inaktiveringscentret (eller helt enkelt XIC) på X-kromosomen är nödvändigt och tillräckligt för att orsaka X-inaktivering. Kromosomala translokationer som placerar XIC på en autosom leder till inaktivering av autosomen, och X-kromosomer som saknar XIC inaktiveras inte.
XIC innehåller fyra icke-översatta RNA-gener, Xist, Tsix, Jpx och Ftx, som är involverade i X-inaktivering. XIC innehåller också bindningsställen för både kända och okända reglerande proteiner.
Xist och Tsix RNAsEdit
den X-inaktiva specifika transkriptgenen (Xist) kodar för ett stort icke-kodande RNA som är ansvarigt för att förmedla den specifika tystnaden av X-kromosomen från vilken den transkriberas. Den inaktiva X-kromosomen är belagd med Xist RNA, medan Xa inte är (Se figur till höger). X-kromosomer som saknar Xist-genen kan inte inaktiveras. Att artificiellt placera och uttrycka Xist-genen på en annan kromosom leder till tystnad av den kromosomen.
före inaktivering uttrycker båda X-kromosomerna svagt Xist-RNA från Xist-genen. Under inaktiveringsprocessen upphör den framtida Xa att uttrycka Xist, medan den framtida Xi dramatiskt ökar Xist-RNA-produktionen. På framtiden Xi täcker Xist-RNA gradvis kromosomen och sprider sig ut från XIC; Xist-RNA lokaliseras inte till Xa. Tystnaden av gener längs Xi inträffar strax efter beläggning av Xist RNA.
liksom Xist kodar tsix-genen ett stort RNA som inte tros koda ett protein. TSIX-RNA transkriberas antisense till Xist, vilket innebär att tsix-genen överlappar Xist-genen och transkriberas på motsatt DNA-sträng från Xist-genen. Tsix är en negativ regulator av Xist; X-kromosomer som saknar tsix-uttryck (och därmed har höga nivåer av Xist-transkription) inaktiveras mycket oftare än normala kromosomer.
liksom Xist, före inaktivering, uttrycker båda X-kromosomerna svagt tsix RNA från tsix-genen. Vid början av X-inaktivering upphör den framtida Xi att uttrycka Tsix RNA (och ökar Xist-uttrycket), medan Xa fortsätter att uttrycka Tsix i flera dagar.
Rep A är ett långt icke-kodande RNA som fungerar med ett annat långt icke-kodande RNA, Xist, för X-inaktivering. Rep a hämmar funktionen av Tsix, antisens av Xist, i samband med att eliminera uttryck av Xite. Det främjar metylering av tsix-regionen genom att locka PRC2 och därmed inaktivera en av X-kromosomerna.
SilencingEdit
den inaktiva X-kromosomen uttrycker inte majoriteten av sina gener, till skillnad från den aktiva X-kromosomen. Detta beror på att XI tystas av repressivt heterochromatin, som komprimerar Xi-DNA och förhindrar uttryck av de flesta gener.
jämfört med Xa har Xi höga nivåer av DNA-metylering, låga nivåer av histonacetylering, låga nivåer av histon H3-lysin-4-metylering och höga nivåer av histon H3-lysin-9-metylering och H3-lysin-27-metyleringsmärke som placeras av PRC2-komplexet rekryterat av Xist, som alla är associerade med gentystning. PRC2 reglerar kromatinkomprimering och kromatinremodellering i flera processer inklusive DNA-skadesvaret. Dessutom finns en histonvariant som kallas macroH2A (H2AFY) uteslutande på nukleosomer längs Xi.
Barr bodiesEdit
DNA förpackat i heterochromatin, såsom Xi, är mer kondenserat än DNA förpackat i eukromatin, såsom Xa. Den inaktiva X bildar en diskret kropp i kärnan som kallas en Barr-kropp. Barr-kroppen är i allmänhet belägen i kärnans periferi, är sen replikerande inom cellcykeln och, eftersom den innehåller Xi, innehåller heterochromatinmodifieringar och Xist-RNA.
uttryckta gener på den inaktiva x-kromosomenredigera
en bråkdel av generna längs X-kromosomen flyr inaktivering på Xi. Xist-genen uttrycks vid höga nivåer på Xi och uttrycks inte på Xa. Många andra gener undviker inaktivering; vissa uttrycks lika från Xa och Xi, och andra, medan de uttrycks från båda kromosomerna, uttrycks fortfarande övervägande från Xa. Upp till en fjärdedel av generna på den mänskliga Xi kan fly. Studier i musen tyder på att i en given celltyp, 3% till 15% av generna Fly inaktivering, och att fly genidentitet varierar mellan vävnader.
många av de gener som undviker inaktivering finns längs regioner i X-kromosomen som, till skillnad från majoriteten av X-kromosomen, innehåller gener som också finns på Y-kromosomen. Dessa regioner kallas pseudoautosomala regioner, eftersom individer av båda könen kommer att få två kopior av varje gen i dessa regioner (som en autosom), till skillnad från majoriteten av generna längs könskromosomerna. Eftersom individer av båda könen kommer att få två kopior av varje gen i en pseudoautosomal region behövs ingen doskompensation för kvinnor, så det antas att dessa DNA-regioner har utvecklat mekanismer för att undkomma X-inaktivering. Generna av pseudoautosomala regioner i Xi har inte de typiska modifieringarna av Xi och har lite Xist-RNA bunden.
förekomsten av gener längs det inaktiva X som inte tystas förklarar defekterna hos människor med onormala antal X-kromosomen, såsom Turners syndrom (X0) eller Klinefelters syndrom (XXY). Teoretiskt sett bör X-inaktivering eliminera skillnaderna i gendosering mellan drabbade individer och individer med ett normalt kromosomkomplement. Hos drabbade individer är emellertid X-inaktivering ofullständig och dosen av dessa icke-tystade gener kommer att skilja sig åt när de undviker X-inaktivering, liknande en autosomal aneuploidi.
de exakta mekanismerna som kontrollerar flykt från X-inaktivering är inte kända, men tystade och flyktregioner har visat sig ha distinkta kromatinmärken. Det har föreslagits att flykt från X-inaktivering kan förmedlas genom uttryck av långt icke-kodande RNA (lncRNA) inom de flyktande kromosomala domänerna.