Xist (англ.X-inactive specific transcript) — ген, кодирующий РНК и локализованный на Х-хромосомеплацентарныхмлекопитающих, является ключевым эффектором в инактивации Х-хромосомы[5]. Он входит в состав комплекса Xic (англ.X-chromosome inactivation centre)[6], наряду с двумя другими РНК-кодирующими генами (Jpx[англ.] и Ftx[англ.]) и двумя белоккодирующими генами (Tsx и Cnbp2)[7]. Продукт гена Xist — Xist-РНК — представляет собой крупный транскрипт (17 кб у человека)[8], который экспрессируется на неактивной хромосоме и не экспрессируется на активной. Процессинг этого транскрипта напоминает процессинг мРНК и тоже включает этапы сплайсинга (в т. ч. альтернативного[5]) и полиаденилирования, однако он остаётся в ядре и не транслируется. Было высказано предположение, что ген Xist по крайней мере частично образовался как часть белоккодирующего гена, который впоследствии стал псевдогеном[9]. Инактивированная Х-хромосома покрыта Xist-РНК, который необходим для процесса инактивации[10]. Х-хромосома, лишённая гена Xist, не будет инактивирована, однако дупликация этого гена на другой хромосоме вызывает инактивацию и первой хромосомы тоже[11].
Инактивация Х-хромосомы, которая происходит на ранних стадиях развития самок плацентарных млекопитающих, обеспечивает сайленсинг на уровне транскрипции одной из двух Х-хромосом, что обеспечивает дозовое равенство (т. е. по количеству активных вариантов одного гена) самок и самцов (см. подробнее «Дозовая компенсация»). Функциональная роль Xist-РНК была наглядно продемонстрирована на эмбриональных стволовых клетках самок мышей. В ходе этих экспериментов введение в клетки антисмысловой РНК длиной 19 нуклеотидов, мишенью которой была Xist-РНК, предотвращало образование Xic и цис-сайленсинг Х-связанных генов. Впрочем, в дальнейшем было показано, что инактивация Х-хромосомы у мышей всё-таки происходит даже в отсутствие гена Xist посредством эпигенетической регуляции, но Xist-РНК необходима для стабилизации такого сайленсинга[12].
Локализация Xist-РНК и гена Xist в ядре фибробласта мышиной самки. Красным цветом обозначены транскрипты гена Xist; жёлтым — локусы гена Xist; синим цветом — ядерная ДНК, окрашенная DAPI; Xi — инактивированная Х-хромосома, Xa — активная Х-хромосома.
У человека ген Xist локализован на длинном (q) плече Х-хромосомы. Он включает в себя большое количество повторов[8] и состоит из А-региона, содержащего 8 повторов, разделённых U-спейсерами. А-регион содержит две крупные шпильки, в каждую из которых входит по 4 повтора[15]. Ортолог гена Xist у человека был идентифицирован у мыши, его длина составляет 15 кб, однако он не содержит консервативных повторов[16].
Организация транскрипта
Структурная модель региона повтора A (repA) Xist, основанная на исследовании биохимической структуры in vivo и сравнительном анализе последовательностей. Повторы с 1 по 8 (1/2) пронумерованы и заключены в рамку — они показаны красным на рисунке RepA в верхней левой панели. Реактивные нуклеотиды окрашены в красный цвет, где открытые и закрытые кружки обозначают среднюю и сильную реактивность соответственно (реактивность предполагает, что нуклеотид неспаренный или слабоструктурированный). Последовательные и компенсаторные мутации (одноточечные и двойные мутации, сохраняющие спаривание) отмечены синим и фиолетовым цветом соответственно. Пары оснований, которые на 100% консервативны у грызунов, выделены жирным и черным цветом, а пары оснований, консервативные у грызунов и млекопитающих, — зеленым. Данные и модель взяты из: Fang R, Moss WN, Rutenberg-Schoenberg M, Simon MD (December 2015). "Probing Xist RNA Structure in Cells Using Targeted Structure-Seq". PLOS Genetics. 11 (12): e1005668. doi:10.1371/journal.pgen.1005668. PMC4672913. PMID26646615..
Xist-РНК состоит из двух регионов: А и С. Консервативный А-регион содержит до 9 повторяющихся элементов[15]. Недавно было показано, что у мыши и человека А-регион Xist-РНК состоит из двух длинных шпилек, в состав каждой из которых входит по 4 повтора[8][15]. Хотя конкретная функция А-региона неизвестна, было показано, что он необходим для эффективного связывания с белкомSuz12[англ.][15].
Связывание Xist-РНК с инактивированной Х-хромосомой осуществляется через хроматин-связывающий участок, расположенный на самом транскрипте. Впервые такой участок на Xist-РНК был описан в фибробластах самки мыши. Он оказался локализованным в области С-повтора. Вышеописанные эксперименты по введению в клетки 19-нуклеотидной антисмысловой РНК, комплементарной Xist, нарушали связывание этого транскрипта с гистономH2A[англ.][17].
Регуляция Xist
Строение Xic. Красными и зелёными линиями показано, как отдельные гены этого локуса регулируют друг друга.
Как упоминалось выше, ген Xist-РНК входит в состав инактивационного центра Xic (англ.X Inactivation Center)[18]. Xic локализуется на q-плече Х-хромосомы (Xq13). Ключевую роль в инактивации Х-хромосомы играет промотор Xist, входящий в состав Xiс[19]. Кроме гена Xist, в Xic входит также ген Tsix[англ.], антисмысловой по отношению к Xist. Антисмысловые транскрипты гена Xist действуют как цис-регуляторы транскрипции Xist, понижая экспрессию этого гена. Механизм такой цис-регуляции экспрессии Xist с помощью Tsix пока плохо понятен, хотя существует несколько объясняющих гипотез. Согласно одной из них, Tsix участвует в модификации хроматина в локусе Xist[20] (подробнее об этом см. ниже).
Предполагается, что антисмысловой транскрипт Tsix активирует ДНК-метилтрансферазы, которые метилируют промотор Xist, что приводит к подавлению этого промотора и, следовательно, экспрессии гена Xist[21]. Показана роль ацетилирования гистонов в регуляции Xist[22].
Возможно, двуцепочечные РНК и интерферирующие РНК также играют роль в регуляции промотора Xist. По-видимому, ферментDicer, специализирующийся на разрезании двуцепочечных РНК, разрезает дуплекс Xist и Tsix в начале процесса инактивации Х-хромосомы, в результате чего образуются короткие РНК длиной около 30 нуклеотидов (xiРНК). Предполагается, что эти xiРНК репрессируют Xist на той Х-хромосоме, которая останется активной. Это предположение подтверждается экспериментом, в ходе которого в недифференцированных клетках количество эндогенного Dicer было снижено на 5 %, что привело к увеличению Xist в этих клетках[23].
По-видимому, транскрипционные факторыплюрипотентных клеток Nanog, Oct4 и Sox2[англ.] играют роль в сайленсинге гена Xist. В отсутствие Tsix в плюрипотентных клетках Xist, тем не менее, тоже репрессирован. Возможным объяснением этому может быть то, что вышеперечисленные факторы вызывают сплайсинг по интрону 1 в сайте связывания этих факторов в гене Xist, в результате чего сайт разрушается и экспрессия Xist подавляется[20]. В плюрипотентных клетках, лишённых Nanog или Oct4, уровень экспрессии Xist повышался[24].
Процесс инактивации Х-хромосомы начинается с распространением Xist-РНК от Xic по всей хромосоме, где Xist-РНК, по-видимому, индуцирует образование и расширение области гетерохроматина. Гетерохроматин инактивированной Х-хромосомы характеризуется не только связью с Xist-РНК, но также наличием особого варианта гистона Н2А (macroH2A), гипоацетилированием гистонов Н3 и Н4[англ.], убиквитинированием гистона H2А и метилированием специфических позиций на гистоне Н3, а также метилирования ДНК. Именно комбинация подобных модификаций обусловливает большую часть инактивированной Х-хромосомы чрезвычайно невосприимчивой к транскрипции. Кроме того, способность этих модификаций к самораспространению обеспечивает поддержание инактивированного состояния Х-хромосомы в течение многих клеточных делений. Впрочем, стоит отметить, около 10 % генов на Х-хромосоме остаются транскрипционно активными[26].
Экспрессия Xist и инактивация Х-хромосомы изменяются в процессе эмбрионального развития. У мыши в раннем эмбриональном развитии существует две волны инактивации Х-хромосомы. Первая волна происходит до образования бластоцисты, и является неслучайной — в клетках зародыша инактивируется Х-хромосома, полученная от отца, то есть инактивация Х-хромосомы на этом этапе носит импринтированный характер. На стадии бластоцисты, в клетках внутренней клеточной массы, из которой формируются в дальнейшем все органы и ткани будущего организма, этот импринтинг снимается, экспрессия Xist исчезает, инактивация отцовской Х-хромосомы отменяется, и обе Х-хромосомы становятся транскрипционно активными. Недавно полученные данные показали, что в процессе реактивации Х-хромосомы участвуют антисмысловые транскрипты[27]. В формирующихся далее клетках эпибласта начинается процесс дифференцировки, и наступает вторая волна инактивации, в которой выбор инактивируемой Х-хромосомы носит случайный характер. На одной из Х-хромосом начинает экспрессироваться Xist, и эта Х-хромосома вступает в процесс инактивации. Вследствие случайного выбора инактивируемой Х-хромосомы каждый женский организм представляет собой мозаику из клональных групп клеток, у которых либо инактивирована Х-хромосома, доставшаяся от отца, либо Х-хромосома, оставшаяся от матери. Инактивация Х-хромосомы поддерживается в течение тысячи клеточных делений[26], и только в развивающихся гоноцитах экспрессия Xist снижается и Х-хромосома вновь реактивируется[28]. В экстраэмбриональных тканях у мыши импринтированная инактивация отцовской Х-хромосомы, установившаяся во время первой волны инактивации, сохраняется в течение всего эмбрионального развития.
Инактивация Х-хромосомы играет ключевую роль в механизме дозовой компенсации, благодаря которому обеспечивается равенство доз генных продуктов Х-хромосомы у обоих полов[26][29]. У различных видов дозовая компенсация обеспечивается различными путями, но во всех таких путях имеет место регуляции экспрессии Х-хромосомы у одного из двух обоих полов[29]. Если одна из двух Х-хромосом не будет инактивирована или будет частично экспрессироваться, то получающаяся в результате избыточная экспрессия Х-хромосомы может быть летальной[26].
В 2013 году было показано, что внедрение гена Xist в одну из 21-х хромосом стволовой клетки с трисомией по 21-й хромосоме (причина синдрома Дауна) позволяет инактивировать эту хромосому. Таким образом, ген Xist может лечь в основу нового подхода к лечению синдрома Дауна[30].
↑Ganesan S., Silver D. P., Greenberg R. A., Avni D., Drapkin R., Miron A., Mok S. C., Randrianarison V., Brodie S., Salstrom J., Rasmussen T. P., Klimke A., Marrese C., Marahrens Y., Deng C. X., Feunteun J., Livingston D. M.BRCA1 supports XIST RNA concentration on the inactive X chromosome. (англ.) // Cell. — 2002. — Vol. 111, no. 3. — P. 393—405. — PMID12419249. [исправить]
↑Jiang J., Jing Y., Cost G. J., Chiang J. C., Kolpa H. J., Cotton A. M., Carone D. M., Carone B. R., Shivak D. A., Guschin D. Y., Pearl J. R., Rebar E. J., Byron M., Gregory P. D., Brown C. J., Urnov F. D., Hall L. L., Lawrence J. B.Translating dosage compensation to trisomy 21. (англ.) // Nature. — 2013. — Vol. 500, no. 7462. — P. 296—300. — doi:10.1038/nature12394. — PMID23863942. [исправить]
Литература
Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. Молекулярная биология клетки / Перевод с английского - А.Н. Дьяконовой, А.В. Дюбы и А.А. Светлова. Под ред. - Е.С. Шилова, Б.П. Копнина, М.А. Лагарьковой, Д.В. Купраша.. — М.—Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2013. — Т. 1. — С. 1213. — 1052 с. — ISBN 978-5-4344-0112-8.
