X染色体の再活性化

X 染色体再活性化 (XCR)は、不活性 X 染色体 (Xi) が真獣類の 雌 哺乳類の細胞で再活性化されるプロセスです。獣類の雌哺乳類細胞には 2 つの X 染色体がありますが、雄は 1 つしかないため、性染色体の量補償にはX 染色体不活性化(XCI)が必要です。真獣類では、XCI は X 染色体の 1 つをランダムに不活性化し、その発現を抑制します。現在 XCR について知られている科学的知識の多くは、マウス モデルまたは幹細胞に限定された研究から得られています。

部分的XCRは、Xi上の1つ以上の遺伝子の抑制を解除する可能性があり、回復した遺伝子発現レベルは、活性X染色体（Xa）で通常見られるほど高くない可能性があります。完全XCRは、XiをXaに戻し、 XCIのエピジェネティックメモリを消去します。つまり、X不活性化を再度誘導すると、元のXiを決定論的にサイレンシングするのではなく、サイレンシングするX染色体がランダムに選択されます。^[1]

XCRは、いくつかの理由から注目を集めている新たなトピックです。^[1]

1. サイレンシングされた遺伝子の再活性化は、レット症候群のようなヘテロ接合性女性のX連鎖疾患の治療となる可能性がある^{[2]。また、サイレンシングされた}腫瘍抑制遺伝子の再活性化による癌の治療となる可能性がある。
2. XCRは、特定の癌などの人間の疾患の一因となる可能性がある。
3. XCRのメカニズムを理解することで、一般的な遺伝子制御原理が解明され、遺伝子サイレンシング、エピジェネティックメモリ、長鎖非コードRNA（lncRNA）の役割の研究に貢献します。

初期胚発生におけるXCIの研究の初期段階では、2つのX染色体の本来の状態と、それらがXa染色体とXi染色体に分化するメカニズムは不明でした。1つの仮説は、染色体は1つが活性化されるまで不活性であるというものでした。最終的に検証されたもう1つの有力な仮説は、何らかのメカニズムによって1つの染色体が不活性化されるまで、母親と父親の両方のX染色体が活性であるというものでした。^[7]

1981年にはすでに、X再活性化の概念が文献に登場しており、5-アザシチジン処理による体細胞ハイブリッドクローンにおけるXCR誘導に関する論文^[8]や、マウス卵母細胞におけるXCRに関する論文^{[9]がある。}

当初の実験では、XCI 後の体細胞でX 不活性特異的転写 ( Xist ) 遺伝子 (XCI を媒介する lncRNA をコードする遺伝子) を除去しても、検出可能な Xi 再活性化は起こらないことが示されていました。そのため、体細胞で一度確立された XCI は不可逆的であり、Xist は XCI の開始には必要だが、維持には必要ではないと考えられていました。^[10]しかし、現代の技術を使用した新しい調査では、Xist RNA が XCI の維持に関与しているという証拠が見つかりました。たとえば、Zhang らは、「Xist を削除すると、核小体の結合が失われ、Xiヘテロクロマチンを維持できなくなり、単一遺伝子レベルで Xi 再活性化が起こる」ことを発見しました。^[11]

XCIとは異なり、XCRには研究に適したin vitroシステムがないため、現在の研究はマウスの胚とin vitro幹細胞の再プログラミングに限定されています。^[12]

マウスでは、Xiの再活性化は3つの発達段階で起こることが知られている：^[13]

1. 受精後の卵母細胞では、父親のX染色体が再活性化され、男性の減数分裂性染色体不活性化（MSCI）が逆転します。
2. 着床前発達において XCI が刷り込まれた後、上胚葉の内部細胞塊(ICM)でXi が再活性化されます。
3. 移動する始原生殖細胞(PGC)では、Xi の再活性化により、卵形成前に雌生殖細胞に 2 つの Xa が確立されます。他の 2 つとは異なり、ここではゲノム刷り込みが消去されます。

マウスの内部細胞塊（胚本体）では、XCI はランダムに発生するのに対し、胚体外組織では、刷り込まれた XCI が父方 X 染色体を決定論的に不活性化することが知られています。マウスの初期胚では、父方 X 染色体は、刷り込まれた XCI によって受精卵の段階ですでに部分的にサイレンシングされており、これは、受精時から性染色体量補償が存在することを示唆しています。ICM で父方 X 染色体が再活性化した後、着床後に完全かつランダムな XCI が発生します。^{[14] [15]}

メスのマウス生殖細胞に関しては、成熟した哺乳類の卵母細胞には2つの活性X染色体があることが観察されており、1960年代の研究ではXXメスのマウスの卵母細胞ではXOマウスの2倍の発現レベルが記録されている。^[16]これらの細胞でXCIが起こらなかったのか、それともXiがXCI後に再活性化されたのかを判断するために、クラッツァーとチャップマンは、卵原細胞にはXiとXaがあるが、Xiは11日目の減数分裂周期に入る直前に徐々に再活性化されることを発見した。^[9]

ヒトの発生においては、PGCでもX染色体の再活性化が起こる。^[17]しかし、ヒトの胚のICMでは、ヒトには刷り込まれたXCIがないため、X染色体の再活性化は起こらず、この発達段階ではXCIはまだ起こっていない。^[18]

X染色体は1本しか発現しないため、がんを引き起こす遺伝子変異はXa染色体で優勢となり、Xi染色体ではサイレントとなる。Xa染色体の全部または一部の複製、あるいはXCIの全部または一部の喪失によるX連鎖遺伝子量の増加は、がん形成と関連している。Xi染色体と常染色体間の転座は、常染色体腫瘍抑制因子のサイレンシングやX連鎖がん遺伝子の再活性化をもたらす可能性がある。X連鎖遺伝子は不活性化を免れる可能性があり、これは潜在的ながん形成の結果である。XCIの障害やX不活性化の偏りも、がん形成と関連している可能性がある。^[19]

X染色体の増加^{[20] 、} クラインフェルター症候群^[21]、XX男性症候群^[22]は、男性乳がんに関連する危険因子である。女性では、トリソミーXまたはテトラソミーXの女性ががんのリスクが高いという証拠はない。^[19]

乳がんや卵巣がん、特に悪性度の高い株では、Xiが欠落し、Xaが2つあるのが一般的です。 ^[23]乳がん細胞は、通常、2つの同一のXaを持ちますが、これは、元のXaの複製と元のXiの喪失によるものと考えられます。 ^{[24] X染色体の増加は、}白血病、^[25]、 前立腺がん、^[26]、[27]、頭蓋内生殖細胞がんなど、他の多くのがんでも観察されています。^[28]このX連鎖遺伝子の過剰発現につながる潜在的なメカニズムには、染色体分離エラー、一般的なヘテロクロマチン維持の欠陥、およびXi特異的サイレンシング因子の欠陥があり、最後の2つはXiを部分的に再活性化します。^[23]

2つのXaの存在は、胚性幹細胞の多能性、つまり多くの異なる細胞タイプに分化する能力の尺度です。^{[29]体細胞と幹細胞をin vitroで融合する}細胞ハイブリッド実験では、Xi全体の再活性化が見られました。^{[30] [31] [32] [33]}マウスとヒトの線維芽細胞を人工多能性幹細胞（iPSC）に再プログラム化すると、元の線維芽細胞にあるXiが再活性化されます。再分化してXCIが再び発生した場合、Xiの選択はランダム化されません。つまり、開始時の線維芽細胞のXiであったXは、決定論的に再び不活性化され、Xの再活性化が不完全であることを証明します。^[34]再プログラムは、核クローニング、多能性細胞との細胞融合、または多能性因子の発現によって達成できます。^[13] XCI維持に関与する因子には、起源認識複合体2（Orc2）、ヘテロクロマチンタンパク質1（HP1a）、^[35]マクロH2A1、^[36]およびBmilが含まれる。^[13] Orc2またはHP1a機能の破壊はどちらも部分的なXi再活性化につながることが示されている。^[35]

Xi 再活性化のメカニズムは、共通の経路を共有しているのか、それとも異なるコンテキストで完全に異なる経路が利用されているのかなど、まだ不明である。^[13] XCRを抑制するには、Xist発現のサイレンシングが必要であるが、それだけでは十分ではない。^[37] Xi のヘテロクロマチンを維持するクロマチン修飾の消去は、XCR に大きく寄与する。H3K27me3 、macroH2A、およびそれらに関連するDNA メチル化とヒストン脱アセチル化のメカニズムは、ICM における XCR の障壁として機能する。^[18] Xist RNA の削除、DNA の脱メチル化、およびヒストンの低アセチル化の阻害を組み合わせると、マウスの初代胚線維芽細胞における再活性化が遺伝子レベルで確率的に増加する。^{[38] [39]}

X再活性化はマウスの胚体外組織で誘導され、許容される。^[13]例えば、ポリコームタンパク質EEDの変異は、分化した栄養芽層幹細胞におけるXiおよびX再活性化上のXist RNAコーティングの欠如につながる。^[40]

XCRにおけるXistの抑制はTsix RNAによって誘導される。^[41] Tsixの欠失は生体内でのICMにおけるXCRの効率を低下させるが、iPSCの再プログラミングでは低下しないようである。^[42]

研究により、マウスICMにおける刷り込みXCIの逆転^[43] 、 iPSCリプログラミングにおけるランダムXCIの逆転^[44]、生殖細胞の発生^[45]におけるXCRの進行の一部が解明されている。XCRは徐々に進行し、一連の遺伝子はXCRの初期、中期、または後期の段階で発現を取り戻す。X再活性化の開始時に、初期遺伝子が転写活性化され、Xist抑制が始まる。これらの初期遺伝子の再活性化は、 Xistの完全なサイレンシングの前に起こるため、一部の遺伝子の再活性化には後者は必要ないことが示唆される。^[44] XCRが進行するにつれて、中間および後期遺伝子が転写活性化され、Xist RNAが失われ、H3K27me3が失われ、Tsixが再活性化される。このプロセスでは、ゲノムトポロジーにおいて、3D空間におけるゲノム構成の単位であるトポロジカル関連ドメイン（TAD）の獲得とメガドメインの喪失が起こる可能性がある。完了時には、Xi上の遺伝子の完全な転写再活性化、エピジェネティックメモリの喪失、DNAの低メチル化、完全に確立されたTADがあり、XCIが回復した場合、Xiの選択はランダムになる。^[1]

ヒトのX染色体には、知的障害に関連する遺伝子が不均衡な数含まれています。^{[46]ヘテロ}接合性女性患者のX連鎖疾患は、これらの患者が変異した疾患対立遺伝子を持つX染色体と健康な野生型対立遺伝子を持つX染色体を持っているため、ここで特に関連しています。 [47] XCIは、XiとしてX染色体をランダムに選択し、もう一方のX染色体であるXaの遺伝子が発現されるようにします。^[48]そのため、ヘテロ接合性女性患者は健康な細胞と病気の細胞のモザイクです。血友病Aなどの非細胞自律性X連鎖疾患では、^{[49]健康な細胞が病気の細胞を補うことができます。}歌舞伎症候群などの他の疾患では、突然変異が細胞に影響を及ぼし、健康な対立遺伝子を持つ細胞がより一般的になり（歪んだXCIパターン）、疾患の重症度が軽減されます。^[50]しかし、健康な細胞が野生型の機能を回復するのに不十分なX連鎖疾患では、X染色体の再活性化が潜在的な治療法となる可能性がある。病気の細胞でXiを再活性化することにより、以前は発現していなかった野生型対立遺伝子がある程度発現を取り戻し、機能を回復することができる。仮説的にX染色体の再活性化によって治療できる可能性がある疾患には、レット症候群、^{[51] [52]} CDKL5欠損症、^[53] 脆弱X症候群などがある。^{[54] [55] [56]}

XCI は性染色体量補償において中心的な役割を果たします。現在、Xi 再活性化は特定の遺伝子を標的とするのではなく、染色体全体を標的とするため、他の X 連鎖遺伝子の過剰発現とそれに伴う副作用のリスクがあります。治療も Xi 染色体を特異的に標的とすることができず、代わりにゲノム全体のエピジェネティック パターンの破壊を引き起こす可能性があります。^[13]

XCI は初期胚発生に必須である。例えば、父方の生殖細胞系列 Xist 欠失を受け継いだ雌マウスの胚は、栄養膜細胞で両方の X 染色体が完全に発現し、致死的な表現型となった。^[57]マウスの接合子における XCI 前の Xist 欠失は、胚が満期まで成長できる程度には許容されるが、臓器の発達の問題により離乳後まで生存する胚はいない。^[58]しかし、これらの懸念は、X 再活性化の適用が初期発達段階を過ぎた XCI 後の細胞に重点が置かれているという事実によって軽減されるかもしれない。

Xi の喪失または再活性化は、特定の癌と関連している。マウスの血液コンパートメントにおける Xist の欠失は、血液癌を引き起こすことが示されており、Xist RNA と XCI が癌抑制において重要な役割を果たすことを示唆している。 ^[59]さらに、Xist の欠失は上皮細胞と腸では許容されるが、マウスはストレス誘発性の腸癌に対してより感受性が高くなるため、Xist と XCI は慢性ストレスに対して保護的であることが示唆される。^[60]マウスの脳における Xist の欠失は、いくつかの研究で悪影響が見られなかった。^[61]部分的な X 再活性化に対する許容度に関する臓器および細胞タイプ間のばらつきは、現在のところ、個々の臓器を標的とした X 再活性化という局所的アプローチを推奨しているように思われる。たとえば、神経発達障害では、X 再活性化は脳と中枢神経系を標的としている可能性がある。^[62]

Xi を再活性化する治療法の開発において、XCI を阻害する単一因子を同定するスクリーニングにより、さらなる研究で検討すべき多くの潜在的な薬理学的標的がリストアップされている。^{[63] [64]}しかし、XCI は複雑であり、多様なタンパク質のセット^[35]と、DNA メチル化、ヒストンの低アセチル化、Xist RNA の役割などの複数のメカニズムによって維持されている。^[38]より効果的な X 再活性化には、因子の相乗的な組み合わせが必要になる可能性があり、研究では、デシタビンとオーロラキナーゼ阻害剤^[65]、Xistアンチセンスオリゴヌクレオチド(ASO) ^[66] 、および DNA TOP2A / TOP2Bノックダウンの組み合わせが検討されている。^[67]いくつかの実験的な薬剤の相乗的な組み合わせは、X 再活性化のレベルに関して単一の因子よりも優れた結果を示した。^[62]