X不活化

X 染色体不活化(イギリスの遺伝学者メアリー・ライオンにちなんでライオン化とも呼ばれる) は、獣類の雌哺乳類においてX 染色体のコピーの 1 つが不活化されるプロセスです。不活化された X 染色体は、ヘテロクロマチンと呼ばれる転写不活性構造にパッケージ化されることによりサイレンシングされます。ほぼすべての雌哺乳類は 2 つの X 染色体を持っているため、X 染色体の不活化により、雌は雄 (X 染色体の 1 つのコピーしか持っていない) の 2 倍の X 染色体遺伝子産物を持つことができなくなります(用量補償を参照)。

ヒトなどの胎盤を持つ哺乳類では、特定の胚細胞でどの X 染色体が不活性化されるかはランダムに選択されますが、X 染色体が一度不活性化されると、その細胞とその生物 (その細胞株) の子孫の生涯を通じて不活性化されたままになります。その結果、生物のすべての細胞における不活性化された X 染色体の選択はランダムに分布し、多くの場合、約半分の細胞で父方の X 染色体が不活性化され、残りの半分で母方の X 染色体が不活性化されます。ただし、一般的に、X 染色体の不活性化は 1 つの生物内の細胞株にわたって不均等に分布しています (偏った X 染色体不活性化)。

胎盤を持つ哺乳類におけるランダムなX染色体不活性化とは異なり、有袋類における不活性化は父親由来のX染色体にのみ適用されます。

以下の段落はげっ歯類にのみ関係し、大多数の哺乳類のXIを反映していません。X染色体の不活性化は、メスの生涯を通じて行われるX染色体の活性化サイクルの一部です。卵子と受精卵は最初に母親の転写産物を使用し、胚ゲノム全体は受精卵ゲノムの活性化までサイレンシングされます。その後、マウスのすべての細胞は、4～8細胞期の胚で父親由来のX染色体の早期の刷り込み不活性化を受けます。^{[3] [4] [5] [6]胚体外組織（}胎盤や胚を支える他の組織のもとになる）はこの早期の刷り込み不活性化を保持しているため、これらの組織では母親のX染色体のみがアクティブです。

初期の胚盤胞では、この最初の刻印されたX染色体の不活性化が内部細胞塊（胚を形成する細胞）の細胞で逆転し、これらの細胞では両方のX染色体が再び活性化する。その後、これらの細胞はそれぞれ独立してランダムにX染色体の1つのコピーを不活性化する。^[5]この不活性化イベントは、生殖細胞系列を除いて、個体の生涯を通じて不可逆である。減数分裂に入る前の女性の生殖細胞系列では、X染色体の不活性化が逆転するため、減数分裂後はすべての半数体卵母細胞に1つの活性X染色体が含まれる。

Xiは不活性な X 染色体、Xa は活性な X 染色体を表します。X ^{P は}父方の X 染色体、X ^{M は}母方の X 染色体を表します。卵子 ( X ^Mを運ぶ) が精子 (Y またはX ^{P を}運ぶ) によって受精すると、二倍体の接合子が形成されます。接合子から成体段階を経て次の世代の卵子に至るまで、X 染色体は次のような変化を遂げます。

1. Xi ^P Xi ^M接合子 →接合子ゲノムの活性化が起こり、次のようになります:
2. Xa ^P Xa ^M →インプリントされた（父方の）X染色体不活性化が起こり、次の結果が生じる：
3. Xi ^P Xa ^M →初期の胚盤胞段階でX染色体活性化が起こり、次のような結果になります。
4. Xa ^P Xa ^M →胚盤胞期の胚系統（内部細胞塊）でランダムなX不活性化が起こり、次のようになります。
5. Xi ^P Xa ^MまたはXa ^P Xi ^M →減数分裂前の始原生殖細胞でX染色体再活性化が起こり、次の結果をもたらします。
6. Xa ^M Xa ^P減数分裂停止中の二倍体生殖細胞。減数分裂 I は排卵によってのみ完了するため、ヒト生殖細胞は発達の最初の数週間から思春期までこの段階に存在します。減数分裂の完了により、次のことが起こります。
7. Xa ^MおよびXa ^P半数体生殖細胞 (卵子)。

X 染色体活性化サイクルはマウスで最もよく研​​究されていますが、人間を対象とした研究も複数あります。証拠のほとんどはマウスから得られているため、上記の図はマウスでの出来事を表しています。減数分裂の完了は、わかりやすくするためにここでは簡略化されています。ステップ 1 ～ 4 は、体外受精した胚と分化中の幹細胞で研究できます。X 染色体再活性化は発達中の胚で発生し、それに続く (6 ～ 7) ステップは女性の体内で発生するため、研究がはるかに困難です。

各プロセスのタイミングは種によって異なり、多くの場合、正確な時期については活発に議論されています。[この表のヒトのX不​​活性化のタイミングに関する部分全体は非常に疑わしいため、経験的データによって適切に実証されるまで削除する必要があります]

特定のX染色体を不活性化した各細胞の子孫もまた、その同じ染色体を不活性化する。この現象は、メスがX染色体色素遺伝子のヘテロ接合性を持つ場合の三毛猫の体色に見られるが、モザイク現象と混同してはならない。モザイク現象とは、同じ個体内のさまざまな細胞集団の遺伝子型の違いを特に指す用語である。X染色体不活性化は、異なる表現型をもたらすエピジェネティックな変化であり、遺伝子型レベルでの変化ではない。したがって、個々の細胞または系統では、不活性化は偏っているか「非ランダム」であり、これがX染色体遺伝子疾患のメス「キャリア」に軽度の症状を引き起こす可能性がある。^[12]

典型的な女性は 2 つの X 染色体を持っており、どの細胞でも 1 つの染色体はアクティブ (Xa と指定)、もう 1 つは非アクティブ (Xi) になります。ただし、X 染色体の余分なコピーを持つ個人の研究では、2 つを超える X 染色体を持つ細胞でも Xa は 1 つしか存在せず、残りの X 染色体はすべて非アクティブであることが示されています。これは、女性の X 染色体のデフォルト状態は非アクティブであるが、1 つの X 染色体が常にアクティブのままになるように選択されることを示しています。

X 染色体の不活性化はランダムなプロセスであり、胚盤葉上層（胚になる細胞）の胚盤胞形成の頃に起こると理解されています。母親と父親の X 染色体は、不活性化の確率が等しくなっています。このことから、女性は男性の約 50% の頻度で X 連鎖疾患に罹患すると予想されます（女性は 2 つの X 染色体を持ち、男性は 1 つしかないため）。しかし、実際には、女性におけるこれらの疾患の発生率はそれよりもはるかに低いです。この差の 1 つの説明として、不活性化された X 染色体上の遺伝子の 12～20% ^[13]が発現したままになるため、女性は X 染色体によってコード化された欠陥遺伝子に対する追加の保護を受けるというものがあります。この差は、優先的な（ランダムではない）不活性化の証拠に違いないと主張する人も^います^。父方X染色体の優先的な不活性化は有袋類と胚を囲む膜を形成する細胞系統の両方で起こるが^[14] 、胎盤を持つ哺乳類では母方由来または父方由来のX染色体のいずれかが異なる細胞系統で不活性化される可能性がある^{[15] 。}

この差異は、X染色体の不活性化の期間によって説明がつく。不活性化は胚盤葉形成の過程で胚盤葉上層で起こり、胚が生じる。^[16]不活性化は細胞レベルで起こり、モザイク状の発現を招き、細胞の一部には不活性な母親由来のX染色体があり、他の一部には不活性な父親由来のX染色体がある。例えば、血友病（X染色体連鎖疾患）のヘテロ接合性の女性は、肝細胞の約半分が正常に機能しており、これは通常、正常な血液凝固を確保するのに十分である。^{[17] [18]}偶然にも、機能不全の細胞が著しく多くなる可能性はあるが、そのような統計上の極端な事態は起こりにくい。染色体上の遺伝的差異によって、1つのX染色体が不活性化されやすくなることもある。また、X染色体の1つに突然変異があり、その成長を妨げたり、生存不能にしたりした場合、そのX染色体をランダムに不活性化した細胞は、正常な対立遺伝子をランダムに不活性化した細胞よりも選択的優位性を持つことになります。したがって、不活性化は最初はランダムですが、正常な対立遺伝子を不活性化した（突然変異した対立遺伝子は活性化したまま）細胞は、最終的には過剰に成長し、ほぼすべてが同じX染色体を活性化した機能的に正常な細胞に置き換えられます。^[17]

常染色体にコード化された「ブロッキング因子」が存在し、これがX染色体に結合して不活性化を防ぐという仮説が立てられている。^[19]このモデルでは、制限ブロッキング因子が存在すると仮定しており、利用可能なブロッキング因子分子が1つのX染色体に結合すると、残りのX染色体は不活性化から保護されなくなる。このモデルは、多数のX染色体を持つ細胞に単一のXaが存在すること、および常染色体の数が通常の2倍の細胞株に2つの活性X染色体が存在することによって裏付けられている。^[20]

X 染色体上に存在するX 不活性化センター( XIC )の配列は、X 染色体のサイレンシングを制御します。仮説上のブロッキング因子は、XIC 内の配列に結合すると予測されます。

メスのXヘテロ接合性の影響は、三毛猫の独特な毛並みなど、いくつかの局所的形質に明らかです。しかし、病気の発現など、これらのメスにおける非局所的形質の発現を完全に理解することはより困難です。

男性は X 染色体のコピーを 1 つしか持っていないため、発現するすべての X 染色体遺伝子(または、集団内で特定の遺伝子に複数の変異体がある場合は対立遺伝子) は、その染色体のコピー上にあります。一方、女性は、アクティブなままの X 染色体コピー上に位置する遺伝子または対立遺伝子を主に発現します。1 つまたは複数の遺伝子が特定の表現型における個体差を引き起こす(つまり、その表現型について集団内で観察される変異を引き起こす) 状況を考慮すると、ホモ接合の女性では、どちらの染色体コピーが不活性化されるかは特に問題ではありません。両方のコピーの対立遺伝子が同じだからです。しかし、原因遺伝子がヘテロ接合の女性では、染色体の 1 つのコピーが他よりも不活性化されると、表現型の値に直接影響する可能性があります。この現象のため、関係する遺伝子がヘテロ接合性である女性では、その遺伝子がホモ接合性である女性よりも表現型の変異が増加することが観察されている。^{[21]表現型の変異はさまざまな形で現れる。多くの場合、ヘテロ接合性の女性は無症状であるか、} X連鎖性副腎白質ジストロフィーなどの特定の疾患の軽微な症状しか示さない可能性がある。 ^[22]

ヘテロ接合性の女性における表現型の分化は、X染色体の不活性化の偏りによって促進される。通常、各X染色体は細胞の半分でサイレンシングされるが、染色体の優先的な不活性化が発生すると、このプロセスは偏る。偏りは偶然に起こるか、または不利な突然変異など、染色体のサイレンシングの頻度を増減させる可能性のある染色体の物理的特性によって起こると考えられている。^{[23] [24]}

平均して、各X染色体は細胞の半分で不活性化されているが、女性の5〜20％にX染色体不活性化の偏りが見られる。^[23]偏りがある場合、症状の発現は広範囲に及ぶ可能性があり、偏りの割合に応じて軽度から重度までさまざまな症状が現れる。極端な例では、一卵性双生児の女性でメンケス病（X連鎖疾患）の発現に極端なばらつきが見られ、片方の双子が死亡し、もう片方は無症状のままであった。^[25]

X 染色体不活性化の偏りは、不活性化を引き起こすメカニズムの問題、または染色体自体の問題によって引き起こされる可能性があると考えられています。^{[23] [24]}しかし、表現型と偏りの関係は依然として疑問視されており、ケースバイケースで検討する必要があります。デュシェンヌ型およびベッカー型筋ジストロフィー (DMD) のヘテロ接合性を持つ症状のある女性と症状のない女性の両方を調べた研究では、転写産物の発現と偏った X 染色体不活性化の間に明らかな関連は見つかりませんでした。この研究は、両方のメカニズムが独立して制御されており、他の未知の要因が作用していることを示唆しています。^[26]

X染色体上のX不活化中心（または単にXIC）は、 X染色体の不活化を引き起こすのに必要かつ十分である。XICが常染色体上に位置する染色体転座は常染色体の不活化につながり、XICを欠くX染色体は不活化されない。^{[27] [28]}

XICには、X不活性化に関与する4つの非翻訳 RNA遺伝子、Xist、Tsix、Jpx、Ftxが含まれています。また、XICには既知および未知の調節タンパク質の結合部位も含まれています。^[29]

X不活性特異的転写（Xist ）遺伝子は、転写元のX染色体の特異的サイレンシングを媒介する大きな非コードRNAをコードしている。 ^[30]不活性X染色体はXist RNAで覆われているが、^[31] Xa染色体は覆われていない（右図参照）。Xist遺伝子を欠くX染色体は不活性化できない。^[32] Xist遺伝子を人工的に別の染色体に配置して発現させると、その染色体のサイレンシングにつながる。^{[33] [27]}

不活性化前は、両方のX染色体がXist遺伝子からXist RNAを弱く発現している。不活性化プロセス中、将来のXaはXistの発現を停止するが、将来のXiはXist RNAの産生を劇的に増加させる。将来のXiでは、Xist RNAが徐々に染色体を覆い、XICから広がる。^[33] Xist RNAはXaに局在しない。Xiに沿った遺伝子のサイレンシングは、Xist RNAによる被覆後すぐに起こる。

Xistと同様に、Tsix遺伝子はタンパク質をコードしていないと考えられている大きなRNAをコードしています。Tsix RNAはXistに対してアンチセンスに転写されます。つまり、Tsix遺伝子はXist遺伝子と重複し、Xist遺伝子とは反対のDNA鎖に転写されます。 ^[28] TsixはXistの負の調節因子であり、Tsix発現を欠く（したがってXist転写レベルが高い）X染色体は、通常の染色体よりもはるかに頻繁に不活性化されます。

Xist と同様に、不活性化前は、両方の X 染色体が Tsix 遺伝子から Tsix RNA を弱く発現します。X 不活性化が始まると、将来の Xi は Tsix RNA の発現を停止し (Xist の発現が増加します)、Xa は数日間 Tsix の発現を続けます。

Rep Aは長い非コードRNAで、別の長い非コードRNAであるXistと連携してX染色体を不活性化します。Rep AはXistのアンチセンスであるTsixの機能を阻害し、Xiteの発現を排除します。PRC2を引き寄せてTsix領域のメチル化を促進し、X染色体の1つを不活性化します。^[29]

不活性 X 染色体は、活性 X 染色体とは異なり、その遺伝子の大部分を発現しません。これは、抑制性ヘテロクロマチンによって Xi がサイレンシングされ、Xi DNA が圧縮されてほとんどの遺伝子の発現が妨げられるためです。

Xaと比較すると、XiはDNAメチル化レベルが高く、ヒストンのアセチル化レベルが低く、ヒストンH3リジン4のメチル化レベルが低く、ヒストンH3リジン9のメチル化レベルが高く、XistによってリクルートされたPRC2複合体によって配置されるH3リジン27のメチル化マークがあり、これらはすべて遺伝子サイレンシングに関連している。^[34] PRC2は、DNA損傷応答を含むいくつかのプロセスでクロマチンの凝縮とクロマチンリモデリングを制御します。 ^{[35]さらに、マクロH2A（} H2AFY ）と呼ばれるヒストンバリアントは、Xiに沿ったヌクレオソームにのみ見られます。 ^{[36] [37]}

XiなどのヘテロクロマチンにパッケージングされたDNAは、XaなどのユークロマチンにパッケージングされたDNAよりも凝縮されています。不活性なXは、核内でバー小体と呼ばれる個別の体を形成します。^{[38]バー小体は一般に}核の周辺部に位置し、細胞周期内で複製が遅く、Xiを含むため、ヘテロクロマチン修飾とXist RNAが含まれています。

X染色体上の遺伝子の一部は、Xi染色体上で不活性化を免れる。Xist遺伝子はXi染色体上で高発現しているが、Xa染色体上では発現していない。^[39]他の多くの遺伝子も不活性化を免れる。Xa染色体とXi染色体で同程度に発現している遺伝子もあれば、両染色体で発現しているものの、依然として主にXa染色体で発現している遺伝子もある。^{[40] [41] [42]}ヒトのXi染色体上の遺伝子の最大4分の1は不活性化を免れることができる。^[40]マウスの研究では、どの細胞型でも3%～15%の遺伝子が不活性化を免れ、不活性化を免れる遺伝子のアイデンティティは組織によって異なることが示唆されている。^{[41] [42]}

不活性化を免れる遺伝子の多くは、X染色体の領域に沿って存在し、X染色体の大多数とは異なり、Y染色体にも存在する遺伝子を含む。これらの領域は、性染色体に沿った大多数の遺伝子とは異なり、男女の個体がこれらの領域のすべての遺伝子のコピーを2つ受け取る（常染色体のように）ため、擬似常染色体領域と呼ばれる。男女の個体が擬似常染色体領域のすべての遺伝子のコピーを2つ受け取るため、女性には用量補償は必要なく、DNAのこれらの領域はX不活性化を免れるメカニズムを発達させていると仮定されている。Xiの擬似常染色体領域の遺伝子には、Xiの典型的な修飾が​​なく、Xist RNAがほとんど結合していない。

不活性X染色体上にサイレンシングされていない遺伝子が存在することで、ターナー症候群（X0、SHOX遺伝子^[43]が原因）やクラインフェルター症候群（XXY）など、X染色体の数が異常なヒトの欠陥を説明できます。理論的には、X染色体の不活性化により、罹患した個人と典型的な染色体を持つ個人との間の遺伝子量の違いはなくなるはずです。しかし、罹患した個人では、X染色体の不活性化は不完全であり、これらのサイレンシングされていない遺伝子の量は、常染色体異数性と同様に、X染色体の不活性化を逃れるため異なります。

X染色体不活性化からの逃避を制御する正確なメカニズムは不明ですが、サイレンシング領域と逃避領域は明確なクロマチンマークを持つことが示されています。^{[41] [44] X染色体不活性化からの逃避は、逃避染色体領域内での}長い非コードRNA （lncRNA）の発現によって媒介される可能性があることが示唆されています。^[2]

スタンレー・マイケル・ガートラーは、 X染色体の不活性化を利用して、がんのクローン起源を実証した。性連鎖性G6PD遺伝子のアイソザイムがヘテロ接合性である女性の正常組織と腫瘍を調べたところ、そのような個体の腫瘍細胞はG6PDの1つの形態のみを発現しているのに対し、正常組織は2つの異なる表現型を発現する細胞がほぼ同量混在していることがわかった。このパターンは、集団ではなく単一の細胞ががんに成長することを示唆している。^[45]しかし、このパターンは多くのがん種で誤りであることが証明されており、一部のがんはポリクローナル起源である可能性があることを示唆している。^[46]

さらに、X染色体上に位置する多型ヒトアンドロゲン受容体（HUMARA）のメチル化（不活性化）状態を測定することは、女性の癌生検におけるクローン性を評価する最も正確な方法であると考えられています。^{[47]この方法でさまざまな腫瘍が検査され、腎細胞癌[48]}などの一部はモノクローナルであることが判明しましたが、他の腫瘍（例：中皮腫^[49]）はポリクローナルであると報告されました。

研究者らは、X染色体の不活性化を利用して常染色体の活動をサイレンシングすることも研究している。例えば、Jiangらは、 21トリソミー（ダウン症候群）の個人から採取した幹細胞の21番染色体の1つのコピーにXist遺伝子のコピーを挿入した。 ^[50]挿入されたXist遺伝子はバー小体の形成を誘導し、安定したヘテロクロマチンの改変を引き起こし、21番染色体の余分なコピー上のほとんどの遺伝子をサイレンシングする。これらの改変された幹細胞では、Xistを介した遺伝子サイレンシングにより、ダウン症候群に関連する欠陥の一部が回復すると思われる。

1959年、大野進は哺乳類の2つのX染色体が異なっていることを示しました。1つは常染色体に似ており、もう1つは凝縮され異染色性でした。^[51]この発見は、2つの研究グループに独立して、X染色体の1つが不活性化されたことを示唆しました。

1961年、メアリー・ライオンは、毛色遺伝子がヘテロ接合である雌マウスのまだら模様の表現型を説明するために、1本の雌X染色体がランダムに不活性化されていると提唱した。^[52]ライオンの仮説はまた、雌細胞内のX染色体の1つのコピーが非常に凝縮されており、X染色体の1つのコピーのみを持つマウスは不妊の雌として発生するという発見を説明した。これは^{[53] 、}グルコース-6-リン酸脱水素酵素（G6PD）欠損のヘテロ接合雌を研究していたアーネスト・ボイトラーに、そのようなヘテロ接合体には、赤血球の前駆細胞の核にある不活性化されたX染色体に正常なG6PD対立遺伝子が含まれているか欠陥のあるG6PD対立遺伝子が含まれているかによって、欠陥細胞と正常細胞の2つの赤血球集団があることを示唆した。 ^[54]

• 性別判定システム
• 投与量補正
• バール体
• ヘテロクロマチン
• エピジェネティクス
• 歪んだX染色体不活化
• X染色体の不活化に関連すると考えられる発達障害:
  • 早期乳児てんかん性脳症9型
  • 前頭鼻孔異形成症

• ウィキメディア・コモンズのX染色体不活性化に関連するメディア
• Kruszelnicki K (2004 年 2 月 11 日)。「ハイブリッド自己免疫女性 3」。ABCサイエンス。