Comment faire taire un chromosome X


Les mammifères femelles ont deux chromosomes X, tandis que les mâles n'en ont qu'un. Une solution remarquable a donc évolué pour éviter un déséquilibre brutal de l'expression des gènes entre les sexes: dans chaque cellule qui a deux chromosomes X, un chromosome X entier est «réduit au silence» pour empêcher la transcription de l'ARN. Ce processus est appelé inactivation des chromosomes X (XCI) et commence tôt dans le développement des embryons femelles. Une fois terminé, XCI est essentiellement stable à vie – ainsi, par extension, un chromosome X humain peut se propager à l'état silencieux pendant plus de 100 ans.

XCI est devenu un paradigme pour les processus épigénétiques – ceux dans lesquels l'ADN et les protéines associées sont modifiés pour altérer l'expression des gènes – et a été intensivement étudié pendant des décennies. Au cours des 25 dernières années, une grande partie de cette recherche s'est concentrée sur un long ARN non codant (lncRNA) appelé Xist, qui est nécessaire pour orchestrer XCI. Cependant, les détails de XistLe mécanisme de réduction au silence a été difficile à atteindre. , Dossin et al. rapportent une étonnante série d'expériences qui révèlent comment Xist fait taire les gènes en s'associant à une protéine appelée SPEN.

Xist est exprimé exclusivement à partir du chromosome X qui sera inactivé, où il se propage localement et fait taire presque tous les gènes du chromosome en s'associant à un ensemble de protéines. Par exemple, Xist engage les complexes protéiques Polycomb (qui modifient les protéines histones qui conditionnent l'ADN dans une forme condensée appelée chromatine) pour maintenir le silençage génique sur le chromosome X inactivé,. Bien que cette fonction de maintenance soit bien documentée, comment Xist fait taire les gènes actifs en premier lieu est resté un mystère – en partie parce que la majorité des XistLes partenaires protéiques de Mais en 2015, une série d'études a révélé un ensemble complet de protéines impliquées dans XCI. Ces écrans ont tous identifié SPEN comme Xist-protéine de liaison qui est essentielle pour XCI.

SPEN appartient à une famille évolutive conservée de protéines de liaison à l'ARN qui ont été impliquées dans le silençage transcriptionnel et, curieusement, le traitement de l'ARN chez les animaux et les plantes. Pour interroger le rôle de SPEN dans XCI, Dossin et al. a d'abord utilisé un système biologique connu sous le nom de degon inductible auxine pour dégrader rapidement le SPEN dans les cellules souches embryonnaires de souris. Conforme à un rapport 2019, les auteurs ont observé que Xist est presque totalement incapable de réduire au silence les gènes le long du chromosome X en l'absence de SPEN. Dans une première importante, les auteurs ont démontré que SPEN est nécessaire pour réussir XCI in vivo Chez la souris. Ils ont également constaté que le SPEN était nécessaire pour amortir l’expression des «évadés» – gènes sur le chromosome X réduit au silence qui échappent partiellement à XCI.

En observant des molécules marquées par fluorescence dans des cellules vivantes, Dossin et al. a constaté que SPEN est recruté sur le chromosome X dès que Xist l'expression commence au début de XCI. SPEN contient quatre domaines de liaison à l'ARN (appelés RRM) à son extrémité amino-terminale et un domaine SPOC conservé de manière évolutive à son extrémité carboxy-terminale. Les auteurs ont constaté que, bien que les RRM 2 à 4 soient tenus de se lier Xist, le domaine SPOC est le médiateur essentiel du silençage génique. Comme suggéré par les expériences précédemment rapportées, forçant une interaction entre Xist et le domaine SPOC seul était suffisant pour restaurer XCI dans les cellules qui manquent de SPEN.

Il a été proposé, que SPEN confère des capacités de silençage génique à Xist en recrutant et / ou en activant localement l'enzyme HDAC3, qui élimine les groupes acétyle activant le gène des histones. Cependant, HDAC3 ne représente qu'une partie du silençage génique qui se produit pendant les premiers stades de XCI. Pour trouver d'autres mécanismes par lesquels SPEN pourrait faire taire, Dossin et al. utilisé une technique de spectrométrie de masse pour identifier les protéines qui interagissent avec le domaine SPOC.

Confirmation de travaux antérieurs, les auteurs ont constaté que le domaine SPOC de SPEN interagit non seulement avec HDAC3, mais aussi avec les protéines co-répressives associées NCOR1 et NCOR2 (également appelées SMRT), et avec les composants du complexe de remodelage et de désacétylase nucléosomiques (NuRD), tous étant silencieux épigénétiques. De plus, les auteurs ont observé que le domaine SPOC interagit avec des parties de la machinerie utilisée pour la transcription et l'épissage (le processus par lequel les transcrits d'ARN nouvellement créés sont transformés en ARN messager), y compris l'ARN polymérase II, l'enzyme qui catalyse la transcription. Dossin et ses collègues ont identifié des interactions avec des composants du N6-méthyladénosine (m6A) Complexe de méthyltransférase, dont plusieurs ont été liés à XCI,,. En conséquence, SPEN et sa gamme de protéines associées pourraient fonctionner comme un multi-outil moléculaire pour faire taire les gènes dans divers contextes génomiques. Bien qu'une grande partie de la fonction de silençage de SPEN puisse dériver de ses interactions avec des silencieux épigénétiques connus, son association avec des mécanismes de transcription et de traitement d'ARN laisse ouverte la possibilité que SPEN puisse également faire taire des gènes par le biais d'un autre mécanisme, encore indéfini.

Peut-être le plus frappant, Dossin et al. adapté une technique appelée CUT & RUN pour cartographier l'emplacement de SPEN sur un chromosome X qui était inactivé. Cela a révélé que, peu de temps après Xist commence à s'exprimer, SPEN s'associe à des promoteurs et amplificateurs de gènes actifs (régions d'ADN qui initient et augmentent la probabilité de transcription, respectivement), mais se désengage ensuite de ces sites après qu'il ait réduit la transcription. Ces découvertes impliquent que SPEN fait partie d'un système qui recrute des machines de silencieux spécifiquement pour les éléments régulateurs transcriptionnellement actifs au début de XCI (Fig. 1). Que ce mécanisme nécessite également des modifications de la chromatine, l'ARN polymérase II, l'ARN activement transcrit ou d'autres facteurs devraient être examinés à l'avenir. Une autre question qui devrait être étudiée est pourquoi Xist n'est pas réduit au silence par SPEN, étant donné qu'une grande quantité de SPEN s'accumule Xist gène.

Figure 1 | Mécanisme de silençage génique par SPEN. L'ARN long non codant Xist et son cofacteur protéique, SPEN, supprime (silence) l'expression des gènes dans l'un des deux chromosomes X trouvés dans les cellules de mammifères femelles. Il s'agit d'un processus essentiel qui empêche un déséquilibre brutal dans l'expression des gènes entre les hommes et les femmes. Expériences de Dossin et ses collègues suggèrent que SPEN initie ce mécanisme de silençage en se liant à des promoteurs de gènes actifs (séquences d'ADN qui initient la transcription) et des amplificateurs (séquences qui augmentent la probabilité de transcription). SPEN reconnaît les promoteurs actifs en partie en interagissant avec les constituants de la machinerie utilisée pour la transcription des gènes, y compris l'ARN polymérase II (Pol II, l'enzyme qui catalyse la transcription). SPEN recrute également et / ou active localement la protéine inactivatrice de gènes HDAC3 et des complexes de protéines de silençage génique tels que le complexe de remodelage et de désacétylase de nucléosomes (NuRD). Une fois qu'un gène a été réduit au silence, SPEN se désengage de son site de liaison, déplaçant éventuellement Pol II dans le processus.

SPEN se lie à une région de Xist ARN appelé Repeat A, qui est nécessaire pour initier le silençage génique,,. Parce que la suppression du Spen gène reflète largement les effets de la suppression de la répétition A, SPEN semble être responsable de la majeure partie de la capacité de silence de la répétition A. Cependant, la répétition A se lie également à d'autres protéines, y compris celles qui favorisent normalement l'épissage, ainsi qu'aux RBM15 et RBM15B, les cousins ​​contenant le domaine SPOC de SPEN,,. Par conséquent, il est maintenant crucial de déterminer comment ces protéines pourraient concurrencer ou coopérer avec SPEN pour initier le silençage génique. De plus, la suppression de la répétition A réduit considérablement les niveaux de Xist ARN lui-mêmeet, dans certains contextes, la suppression de SPEN réduit également les niveaux de Xist. Comment la répétition A est requise pour la production de Xistet comment son rôle dans Xist la production est liée à sa capacité à déclencher le silence, sont des questions clés pour l'avenir.

Depuis des décennies, Xist a servi d’exemple majeur du rôle de l’ARN dans la régulation de l’expression des gènes. Notamment, Xist a été l'un des premiers ARN de mammifères impliqués dans le silençage médié par Polycomb,. Il semble donc approprié qu'en étudiant cet ARN, Dossin et al. pourrait avoir découvert un aspect nouveau et fondamental de la régulation des gènes – le recrutement transitoire de SPEN aux éléments régulateurs par les ARN, ou même par les protéines, qui pourrait être un mécanisme général pour faire taire la transcription dans tout le génome des mammifères.

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