У самок млекопитающих есть две копии Х-хромосомы во всех клетках. Каждая Х-хромосома содержит множество генов, но только один из пары может быть активным; если обе Х-хромосомы экспрессируют гены, клетка не может выжить. Чтобы предотвратить активность обеих Х-хромосом, у самок млекопитающих есть механизм, который инактивирует одну из них во время развития. Инактивация Х-хромосомы управляется некодирующей формой РНК под названием Xist, которая подавляет гены, распространяясь по хромосоме, рекрутируя другие белки (например, репрессивные комплексы Polycomb) для выполнения задачи.
Джинни Ли, доктор медицинских наук, научный сотрудник отдела молекулярной биологии MGH и старший автор статьи, возглавила новаторское исследование инактивации Х-хромосомы. Она считает, что понимание этого явления может привести к излечению от врожденных заболеваний, известных как Х-сцепленные расстройства, которые вызваны мутациями в генах активной Х-хромосомы. «Наша цель – реактивировать неактивную Х-хромосому, которая несет хорошую копию гена», – говорит Ли. Это может иметь серьезные преимущества для людей с такими состояниями, как синдром Ретта, расстройство, вызванное мутацией гена MECP2, которое почти всегда встречается у девочек и вызывает серьезные проблемы с языком, обучением, координацией и другими функциями мозга.
Теоретически реактивация Х-хромосомы может вылечить синдром Ретта и другие Х-сцепленные расстройства.
В этом исследовании Ли и Андреа Криз, аспирант и первый автор статьи, были заинтересованы в понимании роли кластеров белков, называемых когезинами, в инактивации Х-хромосомы. Известно, что когезины играют решающую роль в экспрессии генов. «Представьте себе хромосому как длинную нить, в которой гены и их регуляторные последовательности находятся далеко друг от друга», – говорит Ли.
Чтобы ген был включен и выполнял свою работу, например, вырабатывал определенный белок, он должен войти в контакт со своим удаленным регулятором. Хромосомы позволяют этому происходить, образуя небольшую петлю, которая объединяет ген и регулятор. Кольцеобразные когезины помогают этим петлям формировать и стабилизировать. Когда работа гена завершена и пора выключить, похожий на ножницы белок под названием WAPL отрезает его, в результате чего ген отключается от своего регулятора.
Активная хромосома имеет множество таких петель, которые постоянно образуются и диссоциируют (или разделяются).
Эти маленькие петли, которые необходимы для экспрессии генов, относительно подавлены на инактивированной Х-хромосоме.
Одна из причин, как уже показали Ли и ее коллеги, заключается в том, что Xist «вытесняет» большинство когезинов из неактивной Х-хромосомы и что это истощение когезинов может быть необходимо для реорганизации формы и структуры хромосомы для подавления звука.
В текущем исследовании Ли и Криз использовали эмбриональные стволовые клетки самок мышей, чтобы выяснить, что происходит, когда уровни когезина или WAPL изменяются во время инактивации Х-хромосомы с помощью технологии деградации белков. «Мы обнаружили, что если уровни когезина накапливаются слишком высоко, Х-хромосома не может инактивироваться должным образом», – говорит Ли.
Обычно сохранение когезинов (которые обычно предполагается выселить) предотвращало сворачивание Х-хромосомы в неактивную форму, и это влияло на молчание генов. «Вам нужен прекрасный баланс между вытеснением и сохранением когезинов во время инактивации Х-хромосомы», – говорит Ли.
Затем авторы спросили, что происходит, когда когезином манипулируют в активной Х-хромосоме. Краткий ответ: он приобретает некоторые специфические качества инактивированной Х-хромосомы.
Во-первых, когда когезина недостаточно, активный X развивает структуры, называемые «супер петли», которые обычно видны только на неактивном X. Во-вторых, когда когезина слишком много, активный X развивает «мегадомены», которые Ли называет двумя «большими пятнами», и также обычно уникальны для неактивного X. «Тот факт, что мы можем передать некоторые особенности неактивной Х-хромосомы активной Х-хромосоме, просто переключая уровни когезина, интригует», – говорит Ли. Она и ее коллеги пытаются понять, как и почему это происходит.
Эти данные свидетельствуют о том, что форма и структура Х-хромосомы играют жизненно важную роль в том, чтобы позволить Xist распространяться с одной стороны на другую и достигать инактивации. «Чем больше мы узнаем о том, что важно для подавления Х-хромосомы, – говорит Ли, – тем больше вероятность, что мы найдем способы ее реактивации и лечения таких состояний, как синдром Ретта."