инактивация

  • елементи
  • абстрактно
  • Въведение
  • Широко хромозомна генна репресия и епигенетична модификация на Xi
  • Механизъм на заглушаване на некодиращи гени Xist РНК
  • Регулиране на процеса на инактивиране X
  • Съхраняване и разминаване на X инактивацията при бозайници
  • Заключения за механизма за инактивиране X

елементи

  • Компенсация на дозата
  • Епигенетика
  • Генна регулация

абстрактно

Бозайниците инактивират една от двете женски Х хромозоми, за да компенсират неравномерните Х-свързани номера на генни копия между мъже и жени. Този процес на X инактивация води до заглушаване на една Х хромозома по начин, регулиран от развитието. В тази работа ние изследваме последните открития за инактивирането на X и обсъждаме как тези постижения подобряват механичното разбиране. Последните резултати дават представа за това как клетката брои и избира подходящия брой X хромозоми за инактивиране, като координирана генна репресия в цялата хромозома и как се формира стабилна неактивна X хромозома. Ключовите компоненти на тази сложна регулаторна система вече са идентифицирани и осигуряват входни точки за разбиране на епигенетичната регулация при бозайниците. Повечето от данните са получени от проучване на мишки. Понастоящем не е ясно колко общо тези открития могат да бъдат приложени към други видове бозайници. Опитваме се да оценим този аспект от данните, които са станали достъпни.

При мишки Xist РНК се образува над негенетичния хроматин на ядрото на X хромозомния регион (Chaumeil et al., 2006). Дори на човешкия Xi XIST централната област на хромозомния регион, която съдържа предимно геномни повторения, изглежда се припокрива (Clemson et al., 2006). Това предполага, че основните мишени на Xist не са гени, а последователности в негенетични региони на хромозомата X. При Xi гените са разположени на ръба на Xist домейна, независимо дали са заглушени или не (Clemson et al., 2006 ). Ситуацията на Xi е трудна. Много гени на човешки Xi и няколко гена на миши Xi избягват заглушаването на гените и се експресират от Xi и активната X хромозома (Xa). Какво определя дали генът е заглушен или остава активен на Xi, не е напълно ясно. Последните резултати показват, че поне един от гените за бягство при мишки, Jarid1c, съдържа елементи, които определят неговото активно състояние, независимо от неговото хромозомно положение на Xi (Li and Carrel, 2008). Това предполага, че хромозомните последователности или свойства на генния локус модулират ефекта, който Xist оказва върху експресията. Също така не е известно как Xist потиска гени от първични негенетични свързващи места, въпреки че са получени доказателства за ядрена компартментализация (Heard and Bickmore, 2007; Chow and Heard, 2009).

Широко хромозомна генна репресия и епигенетична модификация на Xi

В женските соматични клетки Xi образува стабилна хетерохроматична структура и може да се визуализира чрез различни техники на оцветяване. Генното реактивиране на хетерохроматичен Xi може да бъде трудно постижимо, освен ако промените в клетъчната съдба не се задействат по време на препрограмирането към ранния ембрионален тип (Takagi et al., 1983). Повторно активиране на неактивен X се наблюдава по време на генерирането на индуцирани плурипотентни стволови клетки от женски миши соматични клетки (Maherali et al., 2007). Опитите за блокиране на определени епигенетични пътища в соматични клетки, включително деацетилиране на хистон и метилиране на ДНК, са постигнали частично реактивиране на Xi в малък брой клетки (Csankovszki et al., 2001). Това доведе до заключението, че заглушаването на гените на Xi се медиира от редица епигенетични фактори, които работят заедно, за да поддържат неактивното състояние на хромозомата. Xi претърпява няколко модификации и е обогатен от фактори, свързани с тихия хроматин (Фигура 1). Такъв фактор е хистоновият вариант macroH2A, който се разпределя почти равномерно през Xi в соматичните клетки (Mietton et al., 2009). Това може да предполага, че след като се постигне стабилно инактивиране, гените и негенетичните последователности са обхванати от подобни епигенетични модификации на Xi.

Изображение в пълен размер

Хроматиновият състав на Xi се различава значително от този на другите хромозоми в соматичните клетки. Xi е обогатен с няколко хистонови модификации, като хистон Н3 метилиране на лизин 27 и хистон убиквитинация H2A (Plath et al., 2003; de Napoles et al., 2004; Fang et al., 2004). Това е паралелно с набирането на Polycomb комплекси (Фигура 1а), за които е доказано, че катализират тези хистонови модификации (Plath et al., 2004). Освен това хистонът Н4 е хипоацетилиран и ди- и триметилирането на хистон Н3 от лизин 4 е силно намалено до Xi (Chaumeil et al., 2002). Тези хистонови модификации обикновено корелират с генната експресия и намаляването на тези хроматинови модификации до Xi може да се интерпретира като последица от неговата транскрипционна неактивност. Трябва да се характеризират функциите на Polycomb протеини и модификации на хистон, както и други компоненти на Xi, които включват хистоновия вариант macroH2A, както и ядрения скелетен протеин SAF-A (Fackelmayer, 2005). Текущата гледна точка е, че няколко хроматинови маркера допринасят за поддържането на репресията върху Xi (Csankovszki et al., 2001; Hernandez-Munoz et al., 2005).

Механизъм на заглушаване на не-Xist РНК гени

Х инактивацията обикновено се инициира по време на ранна ембриогенеза при мишки. Превръщането на активното вещество в транскрипционно безшумната Х хромозома се наблюдава и при диференциацията на миши ембрионални стволови клетки. Това осигурява мощна система за клетъчна култура за изучаване на механизма на заглушаване в хромозомата (Payer and Lee, 2008). Инактивирането се предизвиква от натрупването на Xist РНК в бъдещия Xi. Запазена последователност при 5 'Xist, наречена повторение А, е необходима за заглушаване на гените (Wutz et al., 2002). Експресията на Xist без повторение А не предизвиква генна репресия, но води до локализиране на Xist и набиране на повечето модификации на хроматин към Xi (Chaumeil et al., 2006). Смята се, че повтарящият се РНК мотив се обединява в структура на стволови вериги, която може да функционира като свързващо място за заглушаващи фактори (Wutz et al., 2002). Наскоро структурата на повторението на A RNA също е изследвана експериментално (Duszczyk et al., 2008). Това проучване потвърди първата стволова верига с по-нататъшната констатация, че мотивът на РНК може да се димеризира чрез последователност, предварително проектирана да образува втората верига. Делецията на повторение A при мишки разкрива и функция за репресия на Tsix антисенс гена в Xi, което предполага допълнителни функции за регион A повторение при регулирането на X инактивация (Hoki et al., 2009).

Репресията на гена Xistu в цялата хромозома е ограничена до определени типове клетки. Обикновено инактивацията на X се инициира в ранните ембрионални клетки. Освен това е доказано, че специфични предшественици в кръвната система имат подходящ клетъчен контекст, за да инициират заглушаване (Savarese et al., 2006). Това беше демонстрирано чрез експерименти, използващи индуцируема експресионна система за активиране на Xist при мъжки мишки. Експресията на XIST може също да причини генна репресия в някои човешки соматични клетъчни линии с различна степен на модификация на хроматина (Chow et al., 2007). Наскоро беше показано, че Xist може да инициира хромозомно заглушаване в туморни клетки, получени от миши лимфом (Agrelo et al., 2009). Това откритие повдига въпроса дали епигенетичните пътища, които обикновено са активни по време на инактивиране на X в ембриона, могат да бъдат достъпни за туморни клетки и дали тези пътища допринасят за туморогенезата.

Регулиране на процеса на инактивиране X

Регламент за инактивиране X. а ) Инактивирането се инициира по контролиран от развитието начин. Всички хромозоми с изключение на един X са инактивирани в диплоидната клетка. В момента виждането е, че това се постига чрез регулиране на израза на Xist. Елементите за Xist регулиране формират Xic региона. В началото на X инактивацията се смята, че трансхромозомното сдвояване на Xic региони предизвиква експресия на Xist на единична Х хромозома. Това води до заглушаване на гени в цялата хромозома и образуване на Xi. ( б ) Елементите, които регулират Xist експресията в Xic, включват некодиращия транскрипт Tsix (зелен). Tsix се транскрибира в антисмислена ориентация и припокрива Xist транскрипционната единица и потиска Xist израза. В рамките на Xic са идентифицирани няколко места за свързване от октомври (червени кръгове), които посредничат на Xist репресията в Tsix-зависимия и Tsix-независим режим. CTCF също участва в експресията на Tsix и сдвояването на Xic .

Изображение в пълен размер

При мишки експресията на Xist се потиска от антисенс Tsix РНК (Фигура 2b). Транскрипционната единица Tsix припокрива Xist, създавайки двойка антисенс. Това антисмислено сдвояване на Xist-Tsix породи идеята за възможното участие на двуверижна РНК, която Dicer може да преработи в малки РНК. Всъщност тези малки РНК са открити в скорошно проучване (Ogawa et al., 2008). Всеобхватният анализ на ембрионалните стволови клетки показа, че заличаването на Dicer има малък ефект върху процеса на инактивация на X, което предполага, че Dicer не играе съществена роля в регулирането на X инактивацията (Kanellopoulou et al., 2009). Делецията на Dicera изглежда дерегулира обработката на ендогенни микроРНК, което води до загуба на метилиране на ДНК и по този начин също влияе върху инактивацията на X (Nesterova et al., 2008). Тези данни са в съответствие с индиректните ефекти на Dicer върху инактивирането на X, а въпросът за двуверижната РНК в инактивирането на X оставя отворено допълнително проучване.

Транскрипционният фактор на стволови клетки Oct4 напоследък е замесен в регулирането на експресията на Xist при мишки (Navarro et al., 2008; Donohoe et al., 2009). Показано е, че Oct4 свързва ДНК последователности в Xist интрон 1 и около промоторите и усилващите последователности на Tsix (Фигура 2b). Съобщава се, че октомври 4 е посредник на Xist репресиите в зависимите от Tsix и Tsix независими режими. По този начин, експресията на Oct4 може да ограничи регулирането на Xista до началото на инактивирането на X. Въпреки това, Oct4 също се експресира на високи нива заедно с Xista в клетъчни линии, различни от миши ембрионални стволови клетки, включително стволови клетки, получени от миши епибласти (Navarro и Avner 2009). Следователно изразът Oct4 е малко вероятно да бъде единственият определящ фактор за регулацията на Xista и друг слой контрол може да изчака откриването на.

Съхраняване и разминаване на X инактивацията при бозайници

Заключения за механизма за инактивиране X

Случайното X инактивиране се развива изключително при плацентарните бозайници. Това предполага, че системата за компенсация на дозата разчита на процеси, които в по-голяма степен медиират регулацията на гените при гръбначните животни. Забележително изключение са некодиращите Xist РНК и Xic регулаторни последователности. Те са специално разработени, за да компенсират дозата. Съществуват също доказателства, че развитието на регулаторни елементи не е спряло и може да се осъществи дори при настоящите бозайници. Регулирането на X инактивацията включва хромозомно сдвояване и антисенс репресия. Комплексите Tsix, CTCF, Oct4 и Polycomb са включени като молекулни играчи в този процес. Тишината в цялата хромозома се предизвиква от некодираща Xist РНК и изглежда многоетапен процес. Xist и SATB1 действат, за да инициират заглушаване на гените, а SmcHD1 и ДНК метилирането играят решаваща роля за поддържането на Xi репресия. Поликомбните комплекси участват в заглушаването на цялата Х хромозома, но тяхната точна функция трябва да бъде изследвана.

Целите на Xist върху хромозомата остават неизвестни. Няколко проучвания предполагат ролята на геномните повторения и негенетичната ДНК при инактивирането на X. Гените и негенетичният хроматин са пространствено разделени на Xi. Наблюдението, че Xist припокрива многократния богат център на X хромозомния регион, предполага, че негенетичният хроматин може да бъде основната цел на Xist. Това отваря идеята, че инактивирането на X може да кооптира вече съществуващия механизъм на многократно затъмняване на елементите. Геномните повторения включват остатъци от подвижни генетични елементи, които са нахлули в генома и впоследствие са инактивирани. Това включва разработването на защитни механизми на домакините. Може ли неактивният X да е резултат от контролираното участие на стратегиите за защита на хоста, което се индуцира от експресията на Xista? Предполага се, че елементи с дълги разпръснати повторения (LINE) изпълняват функция при разпространение на инактивация X. Наскоро X инактивацията е сравнена при бозайници, при които LINE пролиферацията е спряла. Тези данни показват, че LINE усилването не е задължително за X инактивиране, което предполага, че други типове елементи могат да играят подобна роля в X инактивирането (Cantrell et al., 2009).

Напредъкът в разбирането на инактивирането на X породи нови и по-ясни въпроси. Трябва да се идентифицират фактори, които медиират транс-хромозомни взаимодействия по време на сдвояването на Xic-Xic в началото на инактивацията на X. Работата по ангажирането на 4 октомври и времето за развитие на X инактивацията изглежда обещаващо за идентифициране на регулаторна мрежа, свързана с биологията на стволовите клетки клетки. Ключов липсващ елемент в разбирането на пътя на заглушаване на гена е връзката между повторението на SATB1 и Xist A. Отговорът на тези въпроси не само ще разшири разбирането ни за компенсация на дозата на бозайниците, но и ще даде представа за основните ядрени процеси на епигенетичната регулация на бозайниците.