Mehanizem X-inaktivacije

X-inaktivacija, imenovana tudi lionizacija po najditeljici Mary Lyon, je proces inaktivacije ene od dveh kopij X kromosoma pri ženskih sesalcih in nekaterih drugih organizmih. Kromosom se inaktivira na tak način, da postane transkripcijsko neaktiven in tako postane del heterokromatina (Barrovo telesce). To se zgodi že v gastrulacijski fazi embrionalnega razvoja. V glavi se nam takoj porajajo dve vprašanji. Zakaj, in kateri alel se pa inaktivira? Razlog za samo X inaktivacijo je kompenzacija količine genskih transkriptov. Ta proces poteka v različnih organizmih na različne načine. Vemo, da imajo ženske dva X kromosoma in moški le enega. Če razmišljamo še naprej pridemo do spoznanja, da pa če imajo ženske še en ekstra kromosom, potem imajo še enkrat toliko proteinov, kodiranih na kromosomu X. To je velik NE za organizem, saj med spoloma ni takšnih radikalnih razlik, da bi ženske potrebovale ekstra kromosom. Zato pride do inaktivacije kromosoma X, da se uravnovesi koncentracija X transkriptov. Kateri alel? Načeloma je to prepuščeno usodi, namreč gre za naključen proces. Načeloma. So pa tudi izjeme. X-inaktivacija pri vrečarjih poteka zmeraj na X kromosomu, podedovanem od očeta. Pri organizmu Drosophilia Melanogaster imajo, kot ljudje, samice XX in samci XY kromosome, vendar v tem primeru pride do drugačne genske kompenzacije. Samci namreč podvojijo ekspresijo X kromosoma in tako izenačijo količino transkriptov s samicami. Veliko raziskav je bilo opravljenih na temo inaktivacije od začetka 60. let, ko je Lyonova odkrila pojav. Mehanizem X inaktivacije je danes poznan, vendar ne do potankosti. Vemo, da velik del opravijo zelo zanimive molekule RNA, ki se imenujejo long non-coding RNAs . To so molekule RNA, ki ne kodirajo za proteine, ampak dejansko opravljajo samostojno funkcijo v celici. Kaj vse opravljajo, še ne moramo reči zagotovo. Vemo, da sodelujejo v X inaktivaciji in kromatinski makro arhitekturi. Lnc-RNA in si-RNA so tako izpodbile dogmo DNA->RNA->proteini.

Xist RNA in PRC2

X-inaktivacija ne utiša celega kromosoma. 25% genov na inaktiviranem kromosomu (Xi) ostane aktivnih, saj sodelujejo pri inaktivaciji. Transkript Xist je ključen za inaktivacijo. Kodiran je na XIC regiji X kromosoma . Gre za lncRNA, katere delecija prepreči inaktivacijo X kromosoma. Vlogo Xist pri inaktivaciji si lahko predstavljamo kot aktivator. Xist RNA se veže na Xi kromosom in aktivira PRC2 (polycomb repressive complex 2). Ta se veže na Xist in tako te dve molekuli kot represivni plašč obdata X kromosom, ki postane Xi. Xist veže PRC2 preko Repeat A motiva na 5' koncu, ki veže katalitsko podenoto PRC2, EZH2.

Regije LINE

Seveda nas zanima tudi, kako se učinek Xist razširi čez celoten Xi. Za širitev Xist RNA po celotnem Xi naj bi bile ključne regije LINE na Xi (angl. long interspersed nuclear element). Regijo LINE si lahko predstavljamo kot center inaktivacije, kjer se naberejo vsi inaktivacijski kompleksi. Ti naj bi potem potovali iz nukleosoma na nukleosom.

Takih centrov oz. postaj naj bi bilo na kromosomu X zelo veliko. Prav zaradi velike frekvence regij LINE na kormosomu X so te regije tudi odkrili. Prva stvar, ki so jo odkrili je, da inaktivacija preko mehanizma Xist ne deluje oz. veliko slabše deluje na avtosomnih kromosomih kakor na spolnem kormosomu X. Iz tega so lahko neposredno zaključili, da mora imeti kromosom X neke posebne regije, ki sodelujejo pri inaktivaciji Xist. Kromosom X vsebuje dvakrat več regij LINE kakor avtosomni kromosomi. Ne samo, da ima dvakrat več regij LINE, dokazali so tudi, da so te regije lepo razporejene čez celoten kromosom X. Na avtosomnih kromosomih pa so opazili, da so bile regije LINE skoncentrirane v raznih delih kromosoma. Pogostost regij LINE so dokazovali z metodo in situ hibridizacije.

Regulacija mehanizma Xist

V celici so skoraj vsi procesi zelo natančno nadzorovani. Prav tako je tudi pri mehanizmu inaktivacije Xist. Poznamo komplekse, ki inhibirajo Xist in komplekse, ki Xist aktivirajo. Vsi delujejo na nivoju transkripcije oz. na podlagi vezave na Xist promotor.

Aktivacija Xist

Obstaja veliko LncRNA, za nekatere so ugotovili, da aktivirajo Xist. Jpx in Ftx sta ena od znanih LncRNA, ki aktivirata Xist. Oba delujeta kot aktivatorja, ki se vežeta na Xist promotor in aktivirata transkripcijo Xist RNA. Mehanizem delovanja Jpx je že malo raziskan. Jpx ne deluje kot običajen transkripcijski faktor to pomeni, da prisotnost Jpx ne vpliva znatno na potek Xist, je pa nujno Jpx potreben. Pri miših, ki so imele izbit gen za Jpx ne prihaja do Xist inaktivacije kromosoma X. Jpx naj bi odcepljal inhibitor (CTCF) Xist promotorja, ki je običajno vezan na Xist promotor in preprečuje inaktivacijo kromosoma X.

Inhibicija Xist

LncRNA sodelujejo tudi pri inhibiciji Xist. Tsix učinkuje ravno nasprotno od Xist podobno kot par toksin-antitoksin. Tsix se veže na kromatin v območju Xist promotorja in spreminja njegovo obliko, vplival pa naj bi tudi na metilacijo DNA v regiji Xist. Vplival lahko tudi na celoten transkrpcijski aparat (prekine transkripcijo Xist). Lahko pa deluje tudi kot aktivna molekula RNA in povzroči sintezo represorjev (npr. metiltransferaza Dnmt3a), ki se vežejo na Xist promotor odcepijo aktivator in inhibirajo transkripcijo.

Lokalizacija Xist RNA

Največji problem pri inaktivaciji kromosoma X je bila predvsem lokalizacija, ki do nedavnega ni bila poznana. Za vse je »kriv« transkripcijski faktor YY1, bivalentni protein, sposoben vezave na RNA in DNA. YY1 je potreben, da Xist RNA v prvi fazi sploh prispe do nukleacijskega mesta, kjer se veže na 3 vezavna mesta, v bližini mesta »repeat F« na eksonu 1 Xist lokusa. Ker je YY1 bivalenten, deluje kot most med RNA in DNA ter poskrbi zato, da se Xist z PRC2 trdno zasidra in se nato začne širiti dalje po kromosomu.

Kot zanimivost je treba omeniti, da se YY1 veže samo na Xi in nikoli na Xa, natančneje sodeluje samo v cis Xist RNA, kjer vezanvna mesta niso blokirana. V nadaljnjih raziskavah pa želijo odkriti ali YY1 služi kot sidro za lncRNA- PRC2 tudi drugje v genomu.

X-inaktivacija in njen vpliv na razvoj raka

Inaktivacija kromosoma X še zdaleč ni raziskana do konca in več kot vemo o njej in lncRNA, večji potencial ima tudi za zdravljenje raka. Do zdaj je bilo znano, da se inaktivacija zgodi že v gastrulacijski fazi embrionalnega razvoja, vendar ima pomembno vlogo tudi v kasnejšem razvoju in celo pri odraslih. Ker je z inaktivacijo utišanih nekaj 100 genov, med njimi tudi nekaj onkogenov, se pojavi problem pri reaktivaciji kromosoma X in v nepravilnem izražanju Xist, kar bi posledično pripeljalo do tumorogeneze. Problematična je tudi izguba enega od X kromosomov, kjer ostane samo močno ojačan Xa. Znano je, da imajo ti problemi vlogo pri raku dojke in jajčnikov.

Ravno z mehanizmom inaktivacije kromosoma X se je odkrila lncRNA in njena do zdaj še slabo raziskana vloga regulatorja genskega izražanja. Kot smo že spoznali, verige lncRNA so hkrati lahko represorji (Xist), lahko pa so tudi aktivatorji (Jpx), sodelujejo z transkripcijskimi faktorji in raznimi kompleksi (PRC2), na splošno pomembne od samih začetkov embrionalnega razvoja do odraslega osebka. Inaktiviran kromosom X pa ima tudi svojo vlogo, saj je dokazano, da če je popolnoma izbrisan ali pa reaktiviran vodi k razvoju raka.

Viri

• Froberg, J. E., Yang L. in Lee J. T. Guided by RNAs: X-inactivation as a model for lncRNA function, Journal of Molecular Biology, 2013, vol. 425, št. 19, str. 3698–3706.
• Pinter, F. S., Ruslan, I., Sadreyev, R. I., Yildirim, E., Jeon, Y., Ohsumi, T. K., Borowsky, M. in Lee, J. T. Spreading of X chromosome inactivation via a hierarchy of defined Polycomb stations, Genome Reshearch, 2012, št. 22, str. 1864-1876.
• Lyon, M. F. The Lyon and the LINE hypothesis, Seminars in Cell & Developmental Biology, 2003, vol. 14, št. 6, str. 313-318.
• Tian, D., Sun, S. in Lee, J. T. The long noncoding RNA, Jpx, is a molecular switch for X chromosome inactivation, Cell, 2010, vol. 143, št. 3, str. 390-403.
• Jeon, Y. in Lee, J. T. YY1 Tethers Xist RNA to the Inactive X Nucleation Center, Cell, 2011, vol. 146, št. 1, str. 119-133.
• Sirchia, S. M., Ramoscelli, L., Grati, R. F., Barbera, F., Coradini, D., Rossella, F., Porta, G., Lesma, E., Ruggeri, A., Radice, P., Simoni, G. in Miozzo, M. Loss of the Inactive X Chromosome and Replication of the Active X in BRCA1-Defective and Wild-type Breast Cancer Cells, Cancer Research, 2005, vol. 65, št. 6, str. 2139-3146.