FACULTADES DE CIENCIAS Universidad de NavarraOpenCourseWare
 DEPARTAMENTO DE GENéTICA
  Asignatura: Human Molecular Genetics
 

Tema 11.4 Inactivación del cromosoma X.


La distinta dotación cromosómica de ambos sexos supone que las mujeres (XX) tienen doble dosis de los genes presentes en el cromosoma X, en comparación con los varones XY. El distinto número de cromosomas X que lleva cada tipo de gameto (uno en el gameto femenino y ninguno en el masculino), plantea una cuestión fundamental: ¿cómo es posible que la distinta dosis de los genes contenidos en el cromosoma X no provoque grandes problemas fenotípicos en varones? De hecho, mujeres con un solo cromosoma X (cariotipo 45,X0) desarrollan el Síndrome de Turner. ¿Por qué no sucede esto en varones, que tienen un solo cromosoma X? Murray Barr describió en 1949 que las células femeninas se podían distinguir por la presencia en su núcleo de un corpúsculo de cromatina, pegado a la pared interna del núcleo, que pasó a conocerse como corpúsculo de Barr. Posteriormente, se comprobó que el corpúsculo de Barr se ajusta a la llamada "regla (n?1)", según la cual el número de corpúsculos de Barr de una célula es igual al número de cromosomas X que posee esa célula (n) menos 1. Estas observaciones se completaron cuando Susumu Ohno demostró en 1959 que el corpúsculo de Barr corresponde a un cromosoma X condensado en forma de heterocromatina y propuso que uno de los dos cromosomas X está inactivo en células somáticas, de manera que sólo se expresan los genes del cromosoma X que permanece activo. En 1961 Mary Lyon formuló la hipótesis de que dicha inactivación se lleva a cabo al azar en fases precoces del periodo embrionario, y queda fijada una vez que se establece. Según esta hipótesis, todas las células hijas procedentes de una célula en la que se ha producido la inactivación tendrán el mismo patrón de inactivación que la célula original. Esta hipótesis permitía explicar la expresión de algunos rasgos ligados al cromosoma X, tales como el color del pelaje en los gatos, en el que las gatas (que se conocen como gatas calico) muestran a veces manchas o bandas de color negro, naranja y blanco, mientras los gatos macho son de color totalmente negro o totalmente naranja. El proceso de inactivación también explicaría el patrón en mosaico de algunas enfermedades dermatológicas causadas por genes que están en el cromosoma X, como la displasia ectodérmica anhidrótica (fenómeno ya descrito por Darwin en 1840). El estudio de las isoformas de glucosa-6-fosfato deshidrogenasa en fibroblastos aislados de mujeres permitió confirmar la hipótesis de Lyon, al observarse la presencia de una sola isoforma en las células de mujeres heterocigotas (que deberían tener dos isoformas distintas). Hoy en día, el fenómeno de inactivación temprana y aleatoria de un cromosoma X en mujeres es universalmente aceptado, y se conoce también con el nombre de "Lyonización" en honor a Mary Lyon. Mediante este mecanismo, las células somáticas femeninas tienen uno de sus cromosomas X en estado inactivado, es decir, transcripcionalmente silenciado y altamente compactado en forma de heterocromatina. La inactivación del X se realiza al azar mediante un mecanismo de recuento que determina el cociente entre el número de cromosomas X y el número de autosomas. Si se detecta más de un cromosoma X, el proceso continúa con la inactivación, inicialmente temporal e inestable, de todos los cromosomas X menos uno. Finalmente, el proceso termina con el silenciamiento estable y definitivo de esos cromosomas, que se mantendrá durante la división celular. Aunque los mecanismos moleculares que regulan estos procesos no se entienden completamente, se conocen las regiones cromosómicas implicadas y los genes más importantes en el proceso de inactivación, como se describe a continuación.

Las células del embrión inicial tienen la capacidad de calcular el cociente entre el número de cromosomas X y el número de autosomas (“contaje”), de permitir la inactivación cuando hay más de un cromosoma X (“competencia”) y de seleccionar un cromosoma X para su inactivación (“elección”). Los procesos de inactivación se ejecutan gracias un locus multifuncional denominado XIC, que está localizado en Xq13 y que contiene los elementos necesarios para el recuento del número de cromosomas X, para la elección del X que será silenciado y para el propio mecanismo de silenciamiento. Este locus incluye el gen XIST, un gen de 32 kb que se transcribe en un ARN no codificante de 19 kb, es procesado y poliadenilado pero no se traduce. XIST es necesario para iniciar el silenciamiento del cromosoma X, pero no para los mecanismos de contaje, elección ni para el posterior mantenimiento del estado silenciado. En XIC también se encuentra el mecanismo de contaje y posiblemente un mecanismo de elección, que dependen del locus XCE.

La Figura 11.8 muestra esquema del locus XIC de ratón.

Todos estos procesos comienzan en los estadios iniciales del desarrollo embrionario. Así, en la mórula de 4-8 células se detecta expresión de XIST a bajo nivel en ambos cromosomas X, tanto en el de origen paterno (Xp) como en el de origen materno (Xm). Parece que algunos factores responsables de pluripotencialidad (NANOG, OCT4) en estas células embrionarias son los que mantienen este bajo nivel de expresión. A partir de ese momento, XIST deja de expresarse en uno de los cromosomas X (o en el único cromosoma X en embriones XY) y su expresión aumenta en el otro cromosoma. Por tanto, la expresión inicial de XIST es transitoria y sólo se estabiliza en torno a la fase de blastocisto en uno de los dos cromosomas X (en aquél que quedará finalmente inactivado). Este aumento de expresión de XIST en un cromosoma es la base de la propiedad que hemos llamado “competencia”, y en los últimos años se han identificado algunos mecanismos implicados en la misma. Por un lado, se ha visto en células madre embrionarias de ratón que este aumento de expresión de XIST sólo se da si los dos cromosomas X interaccionan físicamente dentro del núcleo. Esta interacción se produce porque los XIC de ambos cromosomas X se asocian durante un breve tiempo, justo antes de iniciarse la inactivación definitiva de uno de los dos cromosomas. Utilizando diversas sondas de FISH, se ha podido identificar una región dentro del XIC que es responsable de esta interacción, a la que se ha denominado Xpr (X-pairing region). Según este modelo, la interacción entre los Xpr de ambos XIC genera una señal que provoca la expresión de bajo nivel del gen XIST en ambos cromosomas X. A continuación, los genes Tsix y Xite de los dos cromosomas entran en contacto, lo cual produce el otra señal que "apaga" la expresión de XIST en uno de los cromosomas (al azar), y la estabilización de la expresión de XIST en el otro cromosoma, que será el futuro X inactivo. Este modelo explica también como se produciría la inactivación de varios cromosomas X, para que se cumpla la regla "n-1" en aquellos casos en los que hay más de dos cromosomas X presentes. La interacción de los XIC de dos cromosomas producirá la inactivación de uno de ellos; a continuación, el proceso se repetiría hasta que sólo quede un cromosoma activo, en cuyo caso el proceso se detiene.

Figura 11.9 La figura muestra el XIC, con los loci Xpr (círculos rojos), Xist (círculos amarillos) y Tsix/Xite (círculos azules). Los puntos amarillos pequeños representan la expresión del gen Xist. Finalmente, el cromosoma X inactivo se representa en gris.

Además, el aumento de expresión de XIST también requiere de elementos genéticos que están a cierta distancia del mismo, dentro del XIC. Uno de ellos es un gen llamado RNF12, situado a unas 500 kb en dirección 5’ de XIST, que codifica para una proteína con actividad ubiquitina-ligasa y que activa XIST (presumiblemente porque favorece la degradación de un inhibidor). Otro elemento implicado en la activación de XIST es el gen JPX (ver Figura 11.8), que también codifica un ARN no codificante pero se desconoce su modo de acción.

Entre los elementos necesarios para mantener la expresión de XIST en uno solo de los dos cromosomas X, es importante un gen antisentido denominado TSIX, cuyo transcrito se solapa parcialmente con el ARN codificado por XIST. Curiosamente, TSIX sigue un patrón de expresión similar a XIST: inicialmente se expresan ambos alelos, pero al comienzo de la inactivación únicamente se expresa el alelo del cromosoma X que permanecerá activo. Esto sugiere que la expresión de TSIX juega un papel importante en la expresión transitoria de XIST y en la elección del cromosoma que finalmente será inactivado. Esto lleva directamente a la pregunta de cómo se regula la expresión de TSIX. En este proceso participa el factor CTCF, que se une a una región de metilación diferencial llamada DXPas34 sólo cuando esa región está des-metilada. Dicha unión tiene dos posibles efectos: o bien impide la acción de un enhancer sobre XIST (porque CTCF es un elemento aislador ó insulator); ó bien estimula la transcripción de TSIX, con el consiguiente silenciamiento de XIST. En cualquier caso, en humanos no se da la transcripción antisentido de TSIX sobre XIST, por lo que los mecanismos que regulan la expresión monoalélica de XIST todavía permanecen oscuros.

Tras la elección, tiene lugar el proceso de iniciación del silenciamiento, seguida de otros cambios que permiten mantener el estado silenciado. En este proceso, el ARN codificado por XIST recubre todo el cromosoma y desencadena los cambios que caracterizarán al cromosoma X inactivo: metilación de las islas CpG, desacetilación de las histonas, replicación tardía en la fase S, presencia de una histona especial (macroH2A) en vez de H2A. Recientemente también se ha visto que la lisina 27 de la histona H3 está metilada en el cromosoma X inactivo. En cambio, el ARN codificado por XIST no llega a estabilizarse en el X que permanecerá activo, y finalmente el propio gen XIST se silencia y deja de expresarse. Lógicamente, en un embrión XY sólo hay expresión baja y transitoria de XIST en el cromosoma X de origen materno, que nunca se inactiva porque el mecanismo de contaje detecta la presencia de un solo cromosoma X.

Figura 11.10 Este video sirve para ilustrar el proceso de inactivación del cromosoma X. La inactivación comienza con la expresión del gen XIST, cuyo ARNm recubre el cromosoma y desencadena una serie de cambios que conducen a la heterocromatinización de todo el cromosoma. Sólo unos pocos genes concretos escapan a la inactivación.

Mary Lyon también ha propuesto que la propagación del estado inactivado a partir del XIC se ve facilitada por la presencia de elementos distribuidos a lo largo de todo el cromosoma X y que actuarían como "estaciones repetidoras" del proceso de inactivación. Unos elementos que podrían cumplir esta función son los LINE, que son especialmente abundantes en el cromosoma X respecto a los autosomas (forman un 30% de la secuencia de este cromosoma). Además, al estudiar pacientes con translocaciones entre el cromosoma X y un autosoma, se ha comprobado que la inactivación del X se propaga a los autosomas pero sólo parcialmente, y que esta propagación es directamente proporcional a la riqueza en LINEs de cada autosoma. La secuenciación del cromosoma X apoya esta hipótesis, ya que se ha comprobado que los LINE se distribuyen a lo largo del X de manera coherente con la inactivación: son especialmente abundantes en las zonas que flanquean el XIC y disminuyen en abundancia en las regiones más distales del brazo corto, precisamente la región donde la inactivación es más débil.

Es muy importante tener claro que la inactivación del cromosoma X no es completa, es decir, no afecta a todos los genes del cromosoma. De hecho, se estima que sólo un 65% de los genes presentes en el cromosoma X se inactivan; un 20% de los genes se inactivan sólo parcialmente (es decir, no están inactivados en todas las células) y un 15% escapan totalmente al proceso de inactivación. Esto quiere decir que, para esos genes, existen dos copias funcionales en mujeres XX pero sólo existe una copia en varones XY. Para evitar las diferencias de dosis génica en estos casos, algunos de estos genes que escapan a la inactivación tienen un gen homólogo funcional en el cromosoma Y, lo que hace que ambos sexos tengan la misma dosis génica funcional. Se piensa que el fenotipo de mujeres X0 con Síndrome de Turner se debe precisamente a la disminución de dosis de todos o algunos de los genes que escapan la inactivación, ya que estas pacientes sólo tienen una dosis funcional de estos genes (cuando deberían tener dos).


 
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