Uno studio sui topi suggerisce come l’inattivazione cromosomica possa proteggere le ragazze da un tipo di disturbo autistico ereditato dal cromosoma X del padre. Le femmine ereditano due copie di tale cromosoma, una dalla madre e una dal padre. Poiché le cellule non hanno bisogno di due copie, le cellule ne disattivano una all’inizio dello sviluppo embrionale.
I risultati della ricerca sono stati pubblicati nella rivista Cell Reports.
Inattivazione del cromosoma X
Come risultato di questa inattivazione, ogni femmina è costituita da un mix di cellule, alcune hanno un cromosoma X attivo proveniente dal padre e altre dalla madre, fenomeno noto come mosaicismo.
Per molti anni si è pensato che questo fosse casuale e si sarebbe tradotto, in media, in un mix di cellule di circa 50/50, di cui il 50% con un cromosoma X paterno attivo e il 50% con un cromosoma X materno attivo.
Ora un nuovo studio rileva che, almeno nel cervello dei topi , questo non è il caso. Sembra invece che ci sia un errore nel processo che fa sì che il cromosoma X paterno venga inattivato nel 60% delle cellule anziché nel 50% previsto.
Quando la mutazione legata all’X che è la causa più comune di disturbo dello spettro autistico viene ereditata dal padre, il modello di inattivazione del cromosoma X nei circuiti cerebrali delle femmine può prevenire gli effetti di quella mutazione.
Questo pregiudizio potrebbe essere un modo per ridurre il rischio di mutazioni dannose, che si verificano più frequentemente nei cromosomi maschili”, ha affermato Eric Szelenyi, professore assistente di struttura biologica presso la School of Medicine dell’Università di Washington a Seattle. Il dottor Pavel Osten, professore a contratto presso il Cold Spring Harbor Laboratory di New York, è stato l’autore senior dell’articolo.
Il cromosoma X è di particolare interesse perché trasporta più geni coinvolti nello sviluppo del cervello rispetto a qualsiasi altro cromosoma. Le mutazioni nel cromosoma sono collegate a più di 130 disturbi dello sviluppo neurologico, tra cui la sindrome dell’X fragile e l’autismo.
Nello studio, i ricercatori hanno innanzitutto determinato il rapporto di inattivazione del cromosoma X nei topi sani analizzando circa 40 milioni di cellule cerebrali per topo.
Gli scienziati hanno fatto questo utilizzando l’imaging volumetrico ad alto rendimento e il conteggio automatizzato. Questa analisi ha rivelato un rapporto sistematico 60:40 in tutte le possibili regioni anatomiche.
Hanno poi esaminato cosa accadrebbe se introducessero una mutazione dannosa nei cromosomi X. La mutazione utilizzata era un modello murino per la sindrome dell’X fragile. Questa sindrome è la forma più comune di disabilità intellettiva e dello sviluppo ereditaria negli esseri umani.
Per prima cosa hanno testato i topi per comportamenti ritenuti analoghi a quelli compromessi nelle persone con la sindrome dell’X fragile. Questi test valutano aspetti come la funzione sensomotoria, la memoria spaziale e le tendenze all’ansia e alla socievolezza.
Hanno scoperto che i topi che ereditavano la mutazione sul cromosoma X della madre, che hanno meno probabilità di essere inattivati nel rapporto 60:40, avevano maggiori probabilità di mostrare un comportamento analogo alla sindrome dell’X fragile. Hanno mostrato più segni di ansia, meno socievolezza, scarse prestazioni nell’apprendimento spaziale e deficit nella funzione sensomotoria.
Ma i topi che avevano ereditato la mutazione da uno dei cromosomi X del padre, che aveva maggiori probabilità di essere inattivato, non apparivano compromessi.
“La cosa più interessante è che utilizzando le prestazioni comportamentali di ciascun animale è stato previsto in modo più accurato l’inattivazione del cromosoma X nei circuiti cerebrali, piuttosto che guardare semplicemente il cervello nel suo insieme o singole regioni del cervello”, ha detto Szelenyi. “Ciò suggerisce che avere più cellule X-attive mutanti a causa dell’ereditarietà materna aumenta il rischio complessivo di malattia, ma uno specifico mosaico all’interno dei circuiti cerebrali alla fine decide quali comportamenti vengono maggiormente influenzati”.
“Ciò suggerisce che la differenza del 20% nelle cellule X-attive mutanti create dal bias può essere protettiva contro le mutazioni X del padre, che si verificano più comunemente”, ha affermato.
I risultati potrebbero anche spiegare perché i sintomi delle sindromi legate all’X, come il disturbo dello spettro autistico legato all’X, variano più nelle femmine che nei maschi.
Il silenziamento dei geni del cromosoma X trasmessi dai padri alle figlie
Le figlie ereditano due cromosomi X (uno dalla madre e uno dal padre), mentre i figli ereditano un cromosoma X solo dalla madre. In una ricerca pubblicata su Molecular Cell, i ricercatori del Massachusetts General Hospital (MGH) hanno scoperto che gran parte del cromosoma X che un padre trasmette a sua figlia è silenzioso, anche prima della fecondazione.
Questo potrebbe essere un meccanismo per bilanciare l’attività dei geni legati all’X tra i sessi durante lo sviluppo iniziale dell’embrione, così come durante l’evoluzione poiché il cromosoma Y (che all’inizio era uguale all’X) perdeva sempre più del suo materiale genetico.
Per lo studio, gli scienziati hanno analizzato il modello e i tempi dell’espressione genetica negli embrioni di topo . Hanno scoperto che alcuni geni sul cromosoma X trasmessi dal padre vengono nuovamente inattivati durante lo sviluppo dell’embrione femminile, come hanno dimostrato ricerche precedenti.
Altri, invece, sono stati ereditati dal padre in uno stato pre-soppresso, cosa che non era stata dimostrata prima, sebbene l’idea fosse stata a lungo postulata. È interessante notare che questi geni pre-soppressi tendevano ad essere i più antichi in termini di età evolutiva sul cromosoma X.
“Crediamo che questo sia un antico meccanismo attraverso il quale la linea germinale paterna assicura che figli e figlie ricevano la stessa “dose” del cromosoma X durante l’embriogenesi. Altrimenti, le figlie avrebbero sempre il doppio dei geni X dei figli, il che metterebbe i maschi embrioni in svantaggio,” spiega l’autrice senior Jeannie T. Lee, MD, Ph.D., titolare della cattedra Phillip A. Sharp Endowed in Biologia Molecolare presso la MGH e professoressa di genetica alla Harvard Medical School.
“Questi geni pre-silenziati devono essere controllati con precisione negli embrioni, e questo meccanismo evita anche il sovradosaggio dei geni X nelle figlie”, aggiunge il primo autore e borsista post-dottorato, Chunyao Wei, Ph.D.
Si scopre che il bilanciamento dei cromosomi sessuali è ancora più complesso, poiché il cromosoma X materno deve essere espresso sia nella prole maschile che in quella femminile per mantenere l’equilibrio con il resto del genoma. Lee e i suoi colleghi hanno anche scoperto che l’iperattivazione dei geni sul cromosoma X materno era sincronizzata con il silenziamento dei geni sul cromosoma X paterno durante lo sviluppo dell’embrione femminile.
Pertanto, quando i geni sul cromosoma X paterno erano espressi, erano moderatamente espressi sul cromosoma X materno, ma quando i geni sul cromosoma paterno venivano silenziati, erano altamente espressi sul cromosoma X materno.
“Questo delicato atto di bilanciamento garantisce che gli altri cromosomi , che sono sempre presenti in due copie, non prevalgano sul cromosoma X”, afferma Lee.
Nuovi indizi sull’architettura del cromosoma X
ricercatori del Massachusetts General Hospital (MGH) hanno scoperto nuovi indizi che si aggiungono alla crescente comprensione di come le femmine dei mammiferi, compresi gli esseri umani, “silenziano” un cromosoma X. Il loro studio, pubblicato su Molecular Cell , dimostra come alcune proteine ne alterano l’architettura, contribuendo alla sua inattivazione.
Una migliore comprensione della sua inattivazione potrebbe aiutare gli scienziati a capire come invertire il processo, portando potenzialmente a cure per malattie genetiche devastanti.
Le femmine dei mammiferi hanno due copie del cromosoma X in tutte le loro cellule. Ciascuno di essi contiene molti geni, ma solo uno della coppia può essere attivo; se entrambi i cromosomi X esprimessero geni, la cellula non potrebbe sopravvivere.
Per impedire che entrambi i cromosomi X siano attivi, le femmine dei mammiferi dispongono di un meccanismo che ne inattiva uno durante lo sviluppo. La sua inattivazione è orchestrata da una forma non codificante di RNA chiamata Xist, che silenzia i geni diffondendosi attraverso il cromosoma, reclutando altre proteine (come i complessi repressivi Polycomb) per completare l’attività.
Jeannie Lee, MD, Ph.D., ricercatrice presso il Dipartimento di Biologia Molecolare dell’MGH e autrice senior dell’articolo, ha condotto una ricerca pionieristica sull’inattivazione del cromosoma X. Lei ritiene che la comprensione del fenomeno potrebbe portare a cure per le malattie congenite note come disturbi legati all’X, che sono causate da mutazioni nei geni sul c. X attivo. “Il nostro obiettivo è riattivare il c. X inattivo, che trasporta una buona copia del gene”, afferma Lee.
Ciò potrebbe avere profondi benefici per le persone affette da patologie come la sindrome di Rett, un disturbo causato da una mutazione in un gene chiamato MECP2 che si verifica quasi sempre nelle ragazze e causa gravi problemi con il linguaggio, l’apprendimento, la coordinazione e altre funzioni cerebrali. In teoria, la riattivazione del cromosoma X potrebbe curare la sindrome di Rett e altri disturbi legati all’X.
In questo studio, Lee e Andrea Kriz, un Ph.D. studente e primo autore dell’articolo, erano interessati a comprendere il ruolo di gruppi di proteine chiamate coesine nell’inattivazione dell’X.
È noto che le coesine svolgono un ruolo fondamentale nell’espressione genica. Immaginate un cromosoma come un lungo pezzo di corda con i geni e le loro sequenze regolatrici distanti tra loro, dice Lee.
Affinché il gene possa essere “acceso” e svolgere il suo lavoro, come produrre una proteina specifica, deve entrare in contatto con il suo regolatore distante. I cromosomi permettono che ciò accada formando un piccolo anello che unisce il gene e il regolatore. Le coesine a forma di anello aiutano questi anelli a formarsi e stabilizzarsi.
Quando il lavoro del gene è terminato ed è il momento di spegnersi, una proteina simile a una forbice chiamata WAPL lo taglia, provocando la disconnessione del gene dal suo regolatore. Un cromosoma attivo ha molti di questi anelli, che si formano e si dissociano (o si separano) continuamente.
Questi piccoli anelli, essenziali per l’espressione genica, sono relativamente soppressi su un cromosoma X inattivato. Uno dei motivi, come hanno già dimostrato Lee e i suoi colleghi, è che Xist “sfratta” la maggior parte delle coesine dal cromosoma X inattivo e che questa deplezione di coesione potrebbe essere necessaria per riorganizzare la forma e la struttura del cromosoma per il silenziamento.
Nel presente studio, Lee e Kriz hanno utilizzato cellule staminali embrionali di topi femmine per scoprire cosa succede quando i livelli di coesione o WAPL vengono manipolati durante l’inattivazione del cromosoma X utilizzando la tecnologia di degradazione delle proteine.
“Abbiamo scoperto che se i livelli di coesione aumentano troppo, il cromosoma X non può disattivarsi correttamente”, afferma Lee. Normalmente, le coesine trattenute (che normalmente dovrebbero essere eliminate) impedivano al cromosoma X di ripiegarsi in una forma inattiva e il silenziamento genico veniva compromesso.
“È necessario un buon equilibrio tra l’espulsione e la ritenzione delle coesine durante l’inattivazione del cromosoma X”, afferma Lee.
Successivamente, gli autori si sono chiesti cosa succede quando la coesione viene manipolata in un cromosoma X attivo. La risposta breve: assume alcune qualità peculiari di un c. X inattivato.
In primo luogo, quando c’è coesione insufficiente, l’X attivo sviluppa strutture chiamate “superloop” che di solito si vedono solo sull’X inattivo. In secondo luogo, quando c’è troppa coesione, l’X attivo sviluppa megadomini, che Lee chiama due grandi blob, e sono normalmente esclusivi del cromosoma X inattivo.
“Il fatto che possiamo conferire alcune caratteristiche del cromosoma X inattivo al c. X attivo semplicemente attivando i livelli di coesione è intrigante”, afferma Lee. Lei e i suoi colleghi stanno cercando di capire come e perché ciò accade.
Questi risultati suggeriscono che la forma e la struttura del cromosoma X svolgono un ruolo vitale nel consentire a Xist di diffondersi da un lato all’altro e ottenere l’inattivazione. “Più impariamo su ciò che è importante per silenziare il cromosoma X”, afferma Lee, “più è probabile che troveremo modi per riattivarlo e trattare condizioni come la sindrome di Rett”.
Il modo in cui le femmine spengono il loro secondo cromosoma X
Ricercatori del Laboratorio Europeo di Biologia Molecolare (EMBL) di Heidelberg e dell’Institut Curie di Parigi hanno dimostrato che la proteina SPEN svolge un ruolo cruciale nel processo di inattivazione del cromosoma X, mediante il quale gli embrioni di mammifero femmine silenziano l’espressione genetica su uno dei loro due cromosomi X.
Nella loro fondamentale ricerca pubblicata su Nature, gli scienziati rivelano come SPEN prende di mira e silenzia i geni attivi sul cromosoma X, fornendo nuove importanti informazioni sulle basi molecolari dell’inattivazione dell’X.
Nei mammiferi, maschi e femmine differiscono geneticamente nei loro cromosomi sessuali: XX nelle femmine e XY nei maschi. Ciò porta ad un potenziale squilibrio, poiché più di mille geni sul cromosoma X sarebbero espressi in una dose doppia nelle femmine rispetto ai maschi.
Per evitare questo squilibrio, che ha dimostrato di portare alla letalità embrionale precoce, gli embrioni femminili sopprimono l’espressione dei geni su uno dei loro due cromosomi X.
Gli scienziati non hanno compreso appieno come i geni vengano effettivamente silenziati sul cromosoma X, sebbene sia noto che una molecola chiamata Xist avvia il processo.
Xist è un lungo RNA non codificante, un tipo di molecola creata utilizzando il DNA della cellula come modello, ma che non contiene istruzioni per produrre una proteina. Xist riveste il cromosoma da cui è espresso e induce il silenziamento.
“Gli esatti meccanismi molecolari attraverso i quali Xist media il silenziamento genico sono rimasti un mistero per decenni”, afferma il Ph.D. dell’EMBL/Curie. studente François Dossin. Nel nuovo studio, lui e i suoi colleghi dell’Heard Group di Heidelberg, precedentemente all’Institut Curie di Parigi, hanno identificato come SPEN – un attore chiave nell’inattivazione del cromosoma X – funziona per indurre il silenziamento genico negli embrioni di topo e nelle cellule staminali embrionali . Questo studio fornisce alcune delle prime intuizioni molecolari dettagliate sull’inattivazione dell’X dalla sua scoperta nel 1961 da parte di Mary Lyon.
Per dimostrare l’azione dello SPEN, gli scienziati hanno ridotto fortemente la sua concentrazione nelle cellule staminali embrionali e hanno osservato che l’inattivazione dell’X non si verificava. Hanno anche scoperto dove SPEN si lega al cromosoma X per svolgere il suo lavoro.
Non appena viene espresso, Xist mobilita e lega SPEN, che si accumula lungo il cromosoma X. SPEN interagisce quindi con le regioni regolatrici dei geni attivi . Non appena si verifica il silenziamento genico, SPEN si disimpegna. I geni rimangono quindi inattivi per il resto della vita della cellula.
“Abbiamo analizzato il ruolo della SPEN durante l’inattivazione del cromosoma X utilizzando un’ampia gamma di approcci classici e all’avanguardia”, afferma François Dossin.
I ricercatori hanno scoperto che un dominio specifico di SPEN chiamato SPOC svolgeva il ruolo principale nel silenziamento genico. Reprime la trascrizione del DNA in RNA e interagisce con diverse proteine coinvolte nella sintesi dell’RNA e nel rimodellamento e modificazione della cromatina.
La ricerca per comprendere tutti i meccanismi molecolari dietro l’inattivazione dell’X è appena iniziata. “Abbiamo scoperto che SPEN interagisce con diversi percorsi collegati al silenziamento genico.
Dato che SPEN rappresenta quasi tutto il silenziamento durante l’inattivazione dell’X, la prossima domanda da affrontare è quanto ciascuno di questi percorsi contribuisce al silenziamento genico”, spiega Edith Heard, Direttore generale dell’EMBL. Mi
