Перекошенная инактивация Х-хромосомы ( перекошенная инактивация Х ) происходит, когда инактивация Х- хромосомы одной Х-хромосомы предпочтительнее другой, что приводит к неравномерному количеству клеток с каждой инактивированной хромосомой . Обычно это определяется как один аллель , обнаруженный на активной Х-хромосоме в более чем 75% клеток, а экстремальный перекос происходит, когда более 90% клеток инактивируют одну и ту же Х-хромосому. [1] [2] Это может быть вызвано первичной неслучайной инактивацией, либо случайно из-за небольшого пула клеток, либо направленной генами, либо вторичной неслучайной инактивацией, которая происходит путем отбора . [ необходима цитата ]
Инактивация X-хромосомы происходит у самок для обеспечения дозировочной компенсации между полами. Если бы самки сохраняли обе X-хромосомы активными, у них было бы вдвое больше активных генов X, чем у самцов, у которых есть только одна копия X-хромосомы. Примерно во время эмбриональной имплантации одна из двух X-хромосом в каждой клетке женского эмбриона случайным образом выбирается для инактивации. Затем клетки подвергаются транскрипционным и эпигенетическим изменениям, чтобы гарантировать, что эта инактивация является постоянной (например, метилирование и модификация в тельца Барра ). Все потомство из этих исходных клеток будет поддерживать инактивацию той же хромосомы, что приводит к фенотипическому мозаичному паттерну клеток у самок [1], хотя и не генотипической мозаике .
Большинство женщин будут иметь некоторые уровни перекоса. Это относительно распространено среди взрослых женщин; около 35% женщин имеют перекошенное соотношение более 70:30, а 7% женщин имеют экстремальное перекошенное соотношение более 90:10. [3] Это имеет медицинское значение из-за возможности экспрессии генов болезней, присутствующих на Х-хромосоме, которые обычно не экспрессируются из-за случайной инактивации Х-хромосомы.
Неслучайная инактивация X приводит к перекошенной инактивации X. Неслучайная инактивация X может быть вызвана случайностью или направлена генами. Если начальный пул клеток, в котором происходит инактивация X, невелик, случайность может вызвать перекос у некоторых людей, заставив большую часть начального пула клеток инактивировать одну X-хромосому. Уменьшение размера этого начального пула клеток увеличит вероятность возникновения перекоса. [1] [4] Этот перекос затем может быть унаследован клетками-потомками или увеличен вторичным отбором.
Было обнаружено, что ген контролирующего элемента X-хромосомы (Xce) у мышей влияет на генетически обусловленный перекос. Неизвестно, играет ли подобный ген роль в инактивации X-хромосомы у человека, хотя исследование 2008 года показало, что перекос у людей в основном вызван вторичными событиями, а не генетической тенденцией. [1]
Гораздо более высокий уровень конкордантности наблюдается у генетически идентичных (монозиготных) близнецов по сравнению с неидентичными (дизиготными) близнецами, что предполагает сильный генетический вклад. Однако разница в 10% в перекосе генетически идентичных близнецов все же существовала, поэтому существуют и другие способствующие факторы, помимо генетики. Трудно определить первичную неслучайную инактивацию у людей, поскольку ранний отбор клеток происходит в эмбрионе. Мутация и импринтинг гена XIST , части центра инактивации X, могут привести к перекосу. Это редко встречается у людей. [ необходима цитата ]
Перекошенная X-инактивация у мышей контролируется геном Xce на X-хромосоме. Xce действует в цис-положении , что означает, что он действует на хромосому, с которой он был транскрибирован. [4] Существует четыре аллеля Xce, обозначенные a , b , c и d . Каждый аллель имеет различную вероятность инактивации, с a < b < c < d , где d с наибольшей вероятностью останется активным, а a с наименьшей вероятностью. Различия в силе между четырьмя аллелями, вероятно, обусловлены различиями в количестве участков связывания для решающего фактора инактивации. Конкретный трансфактор в настоящее время неизвестен. [ необходима цитата ]
Гомозиготные мышиные клетки будут иметь примерно одинаковые уровни инактивации, поскольку оба аллеля имеют равные шансы быть инактивированными. Например, мышь с генотипом dd будет иметь коэффициент инактивации, очень близкий к 50:50. Гетерозиготы будут испытывать более высокие уровни перекоса из-за разной вероятности инактивации двух аллелей. Мышиная клетка с генотипом Xce ad будет иметь большее количество инактивированных хромосом, несущих a , чем d , поскольку d -несущая X-хромосома с меньшей вероятностью будет инактивирована. [5]
Существует две теории о механизме, который Xce использует для воздействия на инактивацию. Первая заключается в том, что геномные различия в аллелях Xce изменяют последовательность длинной некодирующей РНК, которая является неотъемлемой частью инактивации Х-хромосомы. Вторая заключается в том, что Xce действует как сайт связывания для факторов дозировки, которые будут влиять на ген XIST и экспрессию Tsix (длинные некодирующие РНК, участвующие в инактивации Х-хромосомы). [5]
На перекос также может влиять эффект родителя происхождения, при котором перекос становится смещенным в сторону либо материнской, либо отцовской Х-хромосомы. [5] Исследования предположили наличие гена или генов, связанных с Х-хромосомой, которые контролируют этот эффект, но точный ген пока не идентифицирован. [6]
Исследование 2010 года обнаружило небольшую, но существенную недостаточную экспрессию отцовской X-хромосомы у мышей. Обнаружено, что внеэмбриональные ткани преимущественно инактивируют отцовскую X-хромосому. [2] Сумчатые всегда инактивируют отцовскую X-хромосому в процессе, называемом импринтингом . [7] Исследователи выдвинули гипотезу о связи между небольшим предпочтением инактивации отцовской X-хромосомы в тканях мышей и предпочтением внеэмбриональных тканей и сумчатых. Возможно, существует сохраняющаяся эпигенетическая метка, которая управляет этим предпочтением. [2]
Искривленные паттерны инактивации могут также возникать из-за мутаций, которые изменяют количество гуанина на промоторе Xist. Ген Xist отвечает за инактивацию X-хромосомы, с которой он транскрибируется. Инактивация X-хромосомы в целом зависит от количества нуклеотидов, содержащих гуанин, на промоторе Xist, хотя в целом инактивация все еще следует случайному шаблону. Однако может произойти редкая мутация, при которой остаток цитозина преобразуется в гуанин на промоторе Xist. Была выдвинута гипотеза, что мутация вызывает изменение в транскрипте Xist или в уровнях продуцируемого транскрипта, что заставляет клетку дифференцировать две X-хромосомы и приводит к тому, что хромосома с мутацией становится преимущественно инактивированной. Механизм на данный момент полностью не выяснен, хотя исследования указывают на снижение активности промотора в результате того, что мутация является основной частью процесса. [8]
Вторичный перекос происходит, когда мутация, связанная с Х-хромосомой, влияет на пролиферацию или выживание клеток. Если мутация на одной Х-хромосоме отрицательно влияет на способность клетки размножаться или выживать, в конечном итоге будет большая доля клеток с другой активной Х-хромосомой. Этот выбор одной Х-хромосомы может варьироваться в зависимости от типа ткани, так как он зависит от конкретного гена и его активности в ткани, при этом быстро делящиеся клетки дают процессам отбора больше времени для работы. Клетки крови , например, имеют самые высокие показатели перекоса из-за чрезвычайно высокой скорости деления и замены в организме человека. [9] Сила отбора также может варьироваться в зависимости от отбираемого гена, и поэтому перекос может происходить с разной скоростью и в разной степени. [1] [4]
Вторичный отбор имеет тенденцию вызывать увеличение перекоса с возрастом. Это в первую очередь связано с более длительным периодом, в течение которого селективное давление имеет пространство для действия. [9] Перекос все еще наблюдается у маленьких детей, но с меньшей частотой и на менее экстремальных уровнях в большинстве случаев. [2]
Перекошенная инактивация X имеет медицинское значение из-за ее влияния на заболевания, связанные с Х-хромосомой. Перекос X-хромосомы имеет способность усиливать заболевания на Х-хромосоме. У женщин дикого типа рецессивные заболевания на Х-хромосоме часто не проявляются из-за примерно равномерного процесса инактивации, который не позволяет мутировавшим аллелям стать сильно выраженными. Однако перекошенная инактивация может привести к более тяжелому проявлению заболевания.
Больной аллель, сцепленный с Х-хромосомой, может также вызывать сильный отбор в гетерозиготе для клеток с больным аллелем на неактивной хромосоме. Таким образом, сильный перекос у женщин в семье может указывать на то, что они являются носителями заболевания, сцепленного с Х-хромосомой.
Также было обнаружено, что перекошенная инактивация Х-хромосомы коррелирует с более высокой частотой рака яичников , хотя механизм, стоящий за этим, неизвестен. Исследование 2013 года также показало, что перекошенная инактивация Х-хромосомы является фактором, который предрасполагает людей к карциномам пищевода . [10] Было высказано предположение, что перекошенная инактивация Х-хромосомы может привести к снижению экспрессии генов-супрессоров опухолей, связанных с Х-хромосомой , у человека, у которого также есть мутация зародышевой линии в экспрессируемой хромосоме. Это может привести к тому, что ген на этой хромосоме станет недостаточно экспрессированным, что затруднит правильную регуляцию клеток. Другие исследователи утверждали, что такая мутация приведет к более высоким показателям рака среди самок дикого типа, поскольку примерно половина клеток не будет экспрессировать ген из-за случайной инактивации. Также можно будет увидеть более высокий показатель рака у самцов с мутацией. Вместо этого исследователи предположили, что причиной рака и перекошенной инактивации могут быть отдельные события или обе они могут быть вызваны неизвестным источником. [4]
Синдром Ретта — генетическое заболевание, вызванное мутацией гена MECP2 на Х-хромосоме. Заболевание встречается в основном у женщин и включает в себя повторяющиеся движения рук, частые судороги и потерю вокальных навыков, а иногда и двигательных навыков. Женщины с одной копией мутировавшего аллеля демонстрируют симптомы тяжелой умственной отсталости. Были описаны бессимптомные носители и пациенты с очень легкими симптомами, у которых может наблюдаться перекошенная Х-инактивация, способствующая инактивации мутировавшего аллеля. Бессимптомные носители могут передавать мутировавший аллель своим дочерям, у которых могут проявляться полные симптомы, если перекос не происходит. В большинстве случаев синдрома Ретта перекос не наблюдается. [11]
Перекошенная инактивация Х-хромосомы коррелирует с несколькими аутоиммунными заболеваниями , включая аутоиммунное заболевание щитовидной железы (ATD) и склеродермию . Аутоиммунное заболевание щитовидной железы - это заболевание, поражающее щитовидную железу . Иммунная система тех, у кого есть это состояние, распознает щитовидную железу как чужеродную и атакует ее, вызывая ее атрофию . Женщины имеют предрасположенность к этому состоянию, и исследования показывают, что это может быть отчасти связано с перекошенной инактивацией Х-хромосомы. Было обнаружено, что при обследовании близнецов с этим заболеванием распространенность перекоса была выше 30% по сравнению с 11% в контрольной группе женщин дикого типа, что указывает на то, что перекос Х-хромосомы, возможно, может быть связан с причиной этого состояния. [12] [13] Аналогичные результаты были также засвидетельствованы при склеродермии, которая включает затвердение кожи и внутренних органов. Уровни перекоса были обнаружены у 64% информативных пациентов по сравнению с 8% в контрольной группе, что также указывает на сильную корреляцию и возможную причину. Механизм, лежащий в основе обоих состояний, на данный момент неясен. [14]
Более высокие уровни перекошенной инактивации Х-хромосомы коррелируют со случаями аутизма у женщин. 33% аутичных женщин в исследовании имели экстремальные уровни перекоса, и только 11% контрольной группы дикого типа имели экстремальные уровни перекоса. Исследование также показало, что матери аутичных дочерей с перекосом также имели значительные уровни перекоса, что указывает на более высокий уровень наследуемости по сравнению с популяцией дикого типа. Причина этого в настоящее время неизвестна, поскольку мутации в промоторе Xist не были обнаружены. [15]
У пациентов с синдромом Клайнфельтера 47,XXY и 48,XXYY были обнаружены значительные перекосы уровней Х-хромосомы у 31% обследованных пациентов, и исследователи предсказывают, что этот перекос может быть ответственен за имеющиеся умственные недостатки и отклонения. Различные формы заболевания также показали преимущественную активацию в направлении либо материнской, либо отцовской Х-хромосомы. Это может указывать на то, что эффекты родительского происхождения, такие как импринтинг, могут быть связаны с перекосом Х-хромосомы. [16]
Х-сцепленная болезнь накопления гликогена (GSD IXa) — это метаболическое расстройство , которое обычно наблюдается только у мужчин из-за Х-сцепленного типа наследования. Поскольку женщины являются мозаичными моделями, когда дело доходит до экспрессии генов, они склонны маскировать Х-сцепленные мутации, используя другую Х для компенсации. Перекошенная Х-инактивация, приводящая к экспрессии дефектной Х-хромосомы, может вызывать экспрессию Х-сцепленных мутаций у женщин. [17]
Проблема, возникающая при IXa, заключается в дефекте фосфорилазы b киназы (PHK). PHK активирует гликогенфосфорилазу , которая является ключевым ферментом для мобилизации глюкозы из запасенного гликогена посредством фосфорилирования . Гликоген является полимерной единицей хранения глюкозы в организме. Когда организму требуется энергия, он может использовать ферменты, такие как PHK, для расщепления гликогена на глюкозу для использования организмом. Некоторые симптомы заболевания включают изменение уровня глюкозы в крови, кетоацидоз , задержку роста или вздутие печени. [17]
Перекошенная инактивация Х-хромосомы была связана с выкидышами в прошлом. Повторная потеря беременности может быть определена как две или три последовательные потери беременности в течение пяти месяцев. В большинстве случаев потеря беременности может быть связана с генетическими, гормональными, анатомическими и иммунологическими проблемами. Тем не менее, все еще есть около 50% случаев без известной причины. [18] Исследование выдвинуло гипотезу, что перекошенная инактивация Х может играть роль в этих выкидышах. Однако исследование 2003 года показало, что не было никакой значительной корреляции между выкидышами и перекошенной инактивацией Х, и только 6,6% пациенток показали значительный перекос по сравнению с 3,9% в контрольной группе. В нем также говорилось, что в аналогичных исследованиях не было контроля за перекосом, связанным с возрастом, и был сделан вывод, что маловероятно, что перекошенная инактивация Х влияет на повторные выкидыши. [19]
Для изучения перекошенной инактивации Х-хромосомы должно быть обнаруживаемое различие между двумя родительскими хромосомами. Это различие, или полиморфизм , позволит определить, какая хромосома активна в клетке, поэтому можно определить коэффициент инактивации. Часто для идентификации неактивной хромосомы определяются уровни метилирования неактивной ДНК. Выбираются локусы , которые, как известно, являются полиморфными в пределах человеческой популяции. Анализы, которые определяют уровень метилирования высокополиморфного тринуклеотида CAG на 5'-конце гена рецептора андрогенов, часто используются в исследованиях перекошенной инактивации Х. Другие используемые локусы включают фосфоглицераткиназу, гипоксантинфосфорибозилтрансферазу и локус DXS255. [1] Если эти локусы содержат сильное метилирование, это указывает на то, что хромосома неактивна.
На рубеже 21-го века определение соотношения перешло к более прямым методам с использованием уровней мРНК или белка и полного экзомного секвенирования . За исключением сбежавших генов, только активная Х-хромосома будет транскрибировать мРНК и производить белок. [9] Экзомное секвенирование обеспечивает набор данных, который показывает целевые последовательности, давая указание на области кодирования белка, связанные с заболеванием. Затем секвенирование мРНК используется на этих областях, чтобы сосредоточиться на Х-хромосоме и найти однонуклеотидные полиморфизмы (SNP), которые связаны с заболеванием. Эти SNP генотипируются и прослеживаются до родительского вкладчика для расчета соотношения инактивации на основе того, сколько генетической информации пожертвовал каждый родитель и сколько каждого родительского аллеля экспрессируется. Эти уровни экспрессии могут дать более глубокое понимание фундаментальной причины заболеваний, наблюдаемых при перекошенной X-инактивации. [20]
Существует несколько факторов, которые необходимо учитывать при изучении перекошенной X-инактивации. Ускользнувшие гены — это те, которые находятся на неактивной X-хромосоме, но все еще экспрессируются; этот конкретный ген будет экспрессироваться с обеих хромосом. По оценкам, 25% генов избегают инактивации. [2] Гены, используемые для изучения перекоса, должны быть тщательно отобраны, чтобы гарантировать, что они не избегут инактивации, поскольку они не покажут никакого перекошенного паттерна.
Асимметричный паттерн может быть более распространенным у пораженных женщин, чем у здоровых. [2] Это необходимо учитывать при изучении заболеваний, связанных с Х-хромосомой. Из-за случайного характера инактивации у женщин может быть асимметричная инактивация из-за простой статистической вероятности. Это затрудняет определение того, когда соотношение аномально асимметрично. Кроме того, асимметричная активация также может быть локализована в определенных клеточных линиях. Например, у одной женщины может быть асимметричная активация в ее Т-клетках, но не в В-клетках, что, в свою очередь, требует глубокого анализа и адекватного контроля клеточных линий для обеспечения правильной диагностики. [21]