Jakub Czarny
Wydział Lekarski, Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu
Koło Naukowe Biologii Molekularnej UW

Jest to proces kompensacyjny wyrównujący poziom ekspresji genów zlokalizowanych na chromosomie X u osobników obu płci. Na etapie wczesnej embriogenezy dochodzi do losowej inaktywacji chromosomu X u samic ssaków łożyskowych. Zmiana ta przekazywana jest każdej komórce potomnej podczas podziałów mitotycznych. Skondensowany chromosom jest widoczny w komórkach jako tzw. chromatyna płciowa, zwana ciałkiem Barra, leżąca na obrzeżu jądra komórkowego. W przypadku osobników z nadmierną liczbą chromosomów X (osoby z trisomią chromosomu X o kariotypie 47, XXX oraz z zespołem Klinefeltera o kariotypie 48, XXXY i 49, XXXXY) inaktywacji ulegają wszystkie dodatkowe chromosomy X (aktywny pozostaje tylko jeden chromosom). Chromosom X jest reaktywowany podczas oogenezy.

Znaczącą rolę w procesie odgrywają sekwencje genu XIST (kodujący XIST RNA) oraz TSIX leżą na chromosomie X naprzeciwko siebie na komplementarnych niciach, tak że blokują nawzajem swoją transkrypcję. W początkowych etapach embriogenezy transkrypcja genu XIST utrzymywana na niskim poziomie na obu chromosomach X.

Następnie następuje gwałtowny wzrost ekspresji genu Xist na chromosomie X (tzw. Xi) ulegającym inaktywacji. Powstały na skutek transkrypcji genu Xist RNA „opłaszcza” chromosom, co skutkuje kondensacją opłaszczonego chromosomu X w nieaktywną transkrypcyjnie heterochromatynę. W kondensację chromatyny chromosomu X zaangażowane są sekwencje powtórzone, np. długie rozproszone elementy (LINE), działające na zasadzie wzmacniania. Wyciszanie przez XIST RNA może zależeć od sekwencji powtórzonych znajdujących się na końcu 5’, zwijających się w formę pętli. Jest to z kolei sygnał do wiązania białek represorowych, m.in. z grupy Polycomb. Dochodzi również następnie do dalszych modyfikacji epigenetycznych, by chromatyna uległa jak najsilniejszemu skondensowaniu, kompaktacji i doprowadza do powstania tzw. ciałka Barra. Do tych procesów zaliczamy:

• deacetylacja histonów H3 i H4

• zamiana histonu H2A na makroH2A w nukleosomach

• metylacja lizyny Lys-9 i Lys-27 histonu H3 (H3K9me; H3K27me)

• metylacja lizyny Lys-20 histonu H4 (H4K20me)

• demetylacja lizyny Lys-4 histonu H3

• metylacja wysp CpG, w tym hipermerylacja genów metabolizmu podstawowego (ang. housekeeping genes) w nieaktywnym chromosomie X (przy dalszej aktywności hipometylowanych genów w aktywnym chromosomie X)

Gen XIST nie podlega ekspresji u mężczyzn. Gen XIST w długim ramieniu chromosomu X (Xq) jest aktywny tylko w nieaktywnym chromosomie X,

Należy jednak pamiętać, że wiele genów (tj. łącznie ok. 20% wszystkich genów w chromosomie X) nie ulega inaktywacji, a większość ma funkcjonalne homologi w chromosomie Y. Do przykładów aktywnych genów w inaktywowanym chromosomie X zalicza się, m.in. ZFX – gen palca cynkowego czy geny PAR1 (znane w tym regionie 25 genów) i PAR2 (znane w tym regionie 4 geny, jednak 2 najbardziej proksymalne stają się nieaktywne wskutek kondensacji chromatyny chromosomu X). Lokalizacja tych drugich to odpowiednio końce krótkiego (Xp) i długiego (Xq) ramienia chromosomu X. Tylko jeden z tych 29 genów regionu PAR jest związany z występowaniem choroby genetycznej u człowieka i jest to gen homeocyczny SHOX kodujący czynnik transkrypcyjny istotny dla prawidłowego funkcjonowania chondrocytów. Jego niedobór skutkuje niskorosłością, stąd druga nazwa tego genu to gen niskorosłości. Delecja genu SHOX może powodować też wady układu kostnego, np. dyschondrosteozy Leriego-Weilla z deformacją Madelunga w obrębie przedramion, a w formie homozygotycznej lub złożonej heterozygotycznej dysplazję mezomeliczną Langera. Utrata jednej kopii genu SHOX (powodująca utratę funkcji genu, czyli obniżoną ilość produktu białkowego) jest uznawana za przyczynę niektórych cech występujących w zespole Turnera.

Nieprawidłowy chromosom X jest preferencyjnie inaktywowany, ale przy translokacji między chromosomem X a chromosomem autosomalnym inaktywacji ulegnie prawidłowy X.

Tylko około 30% komórek uzyskanych z rozmazów z błony śluzowej policzka zdrowej kobiety uwidacznia chromatynę X, co wynika z pozostawania komórek na różnych etapach cyklu komórkowego. Jeśli w komórce występują więcej niż dwa chromosomy X, każdy dodatkowy chromosom X będzie również inaktywowany, a tym samym w komórce będzie widoczne więcej niż jedno ciałko Barra. Liczba ciałek Barra w komórce będzie zawsze mniejsza o jeden w stosunku do liczby chromosomów X w kariotypie.

U kobiet występuje mieszanina komórek, z których jedne mają aktywny ojcowski chromosom X, a inne aktywny matczyny chromosom X. Odsetek poszczególnych komórek różni się u kobiet (nawet u monozygotycznych bliźniąt) z powodu losowego charakteru zjawiska inaktywacji. U kobiet nosicielek zmutowanych genów dla chorób dominujących sprzężonych z chromosomem X wiąże się z nierównomierną ekspresją.

Prawidłowa inaktywacja genów na chromosomie X może mieć ogromny wpływ na prawidłową czynność układu rozrodczego kobiet, w tym jajników (z powodu kodowanego w komórkach rozrodczych czynnika PRDM14 (ang. PR domain zinc-finger protein 14); Rhox6 oraz Rhox9 demetylowanych przez demetylazę histonową KDM6A), całego układu nerwowego i wielu innych układów. Nieprawidłowości inaktywacji genów chromosomu X lub jego ekspresji mogą skutkować rdzeniakiem zarodkowym, rakiem prostaty czy nerek (nieprawidłowa aktywność demetylazy KDM6A), syndromem Kabuki (nieprawidłowa budowa, w tym mutacje, demetylazy KDM6A) czy też opóźnieniami rozwoju intelektualnego (nieprawidłowa aktywność demetylazy KDM5C niezbędnej do prawidłowego rozwoju komórek układu nerwowego). Jako czynnik potencjalnie zwiększający szansę rozwoju nowotworu określa się niestabilność chromosomu Xi, zaburzenia metylacji wysp CpG w jego obrębie, „szkodliwe” interakcje onkogenu BRCA1 z chromosomem Xi, mutacje genu XIST itd.