Inactivation du chromosome X...Mise en place de l’inactivation de l’X : étape de sensing Appariement transitoire des chr X au tout début de la différenciation Au niveau du locus

Inactivation du chromosome X

Valérie Malan

Service de Cytogénétique du Pr Vekemans

Hôpital Necker-Enfants Malades, Paris

DESC 16-12-2009lundi 4 janvier 2010

Le chromosome X

Correspond à ~4% du génome (avec une taille de 155 Mb )

Environ 1100 gènes

10% codent des antigènes de cancer testiculaires (exprimés dans divers cancers)

~ 700 gènes sont connus

10% des maladies mendéliennes sont dues à une transmission de gènes liés à l’X (300 maladies mendéliennes dont 168 sont dues à 113 gènes identifiés)

Mars 2005

lundi 4 janvier 2010

Femme XX Homme XY

2 copies X 1 copie X

Nécessité d’un mécanisme de correction de dosage génique


Dans l’espèce humaine (chez la femme)

Inactivation d’un chromosome X


L’inactivation d’un des chromosomes X évite l’expression en dose excessive de gènes exprimés par le chromosome X par rapport à l’homme



Inactivation précoce d’un chromosome X au cours de l’embryogenèse

Au moment de l’implantation





Inactivation au hasard d’un des chromosomes X

dans la moitié des cellules : inactivation de l’X paternel dans l’autre moitié des cellules : inactivation de l’X maternel





Inactivation au hasard d’un des chromosomes X

dans la moitié des cellules : inactivation de l’X paternel dans l’autre moitié des cellules : inactivation de l’X maternel

Transmission de l’Xi se fait de façon clonale et stable aux cellules filles

Réversible au cours de la gamétogenèse



Mosaïcisme cellulaire chez la femme

Expression des allèles maternels du chr. X dans certaines cellules

Expression des allèles paternels du chr. X dans d’autres cellules

Expression simultanée de 2 allèles différents

Plus grande diversité génétique chez la femme par rapport à l’homme


Phénomène épigénétique

Modification de l’expression des gènes sans modification de la séquence des nucléotides

Passage d’un des chromosomes X de l’état euchromatique (actif) au stade hétérochromatique (inactif)


Mais ≈ 15% des gènes échappent à l’inactivation

Gènes des régions pseudo-autosomiques: PAR1 et 2

Régions communes aux chr. X et Y Permettent l’appariement des chr. sexuels au cours de la méiose 24 gènes dans PAR1 / 5 gènes dans PAR2 Tous les gènes situés dans PAR1 échappent à l’inactivation

PAR 1

PAR 2

Chromosome X

Bras court

PAR2 (0,33 Mb) / PAR1 (2,7 Mb)lundi 4 janvier 2010

Carrel et al. 2005

Environ 10% des gènes ont un profil d’expression variable selon les femmes

Variabilité génétique entre les femmes

Expression incomplète de certains gènes échappant à l’inactivation (surtout ceux de la région PAR1)

Certains n’atteignant pas 25% de l’expression complète Ex: gène STS (ichtyose)


Condensé visible sur noyau interphasiqueCorpuscule de Barr ⇔ nombre de X-1

(homme XY : 0, femme XX : 1 femme XXX : 2)

Situé en périphérie du noyau (sous la membrane nucléaire)

Réplication tardive

Inactivation transcriptionnelle

Caractéristiques du chromosome X inactif

M. Lyon 1961lundi 4 janvier 2010

Plusieurs étapes:

Initiation de l’inactivation

étapes de sensing / comptage des X / choix de l’X à inactiver

Propagation en cis

Stabilisation et maintien de l’état inactif

Mise en place de l’inactivation de l’X


Le centre d’inactivation de l’X : XIC (X Inactivation Center)

Région située en Xq13.2

Comprend le gène XIST(X inactive Specific Transcript)

Xq13.2XIC

Chromosome X

gène XIST

Initiation de l’inactivation de l’X : sous le contrôle de XIC


Le gène XIST (X inactivation Specific transcript)

Code pour un ARN polyadénylé non codant non traduit

Exprimé par le chromosome X inactif

Initiation de l’inactivation de l’X : sous le contrôle de XIC


Chez la souris

Gène Tsix

ARN antisens non codant / non traduit

régulation négative de Xist par Tsix et inversement

Avner and Heard Nat Review Genetics 2001lundi 4 janvier 2010

Avant le signal d’initiation de l’inactivation du chr X

Transcription de Xist et Tsix à partir des 2 chromosomes X

Après le signal d’inactivation du chr X

Sur le chr X inactif Transcription de Xist / Arrêt de la transcription de Tsix

Sur le chr X actif Arrêt de la transcription de Xist / Transcription de Tsix

Chez la souris

E. Heard


Inactivation du chr X est soumise à empreinte

Initialement, inactivation de l’X paternel se produit dans toutes les cellules

Après l’implantation, réactivation de l’X pat dans les cellules de la masse cellulaire interne à l’origine de l’embryon (stade 64 cellules)

Puis inactivation aléatoire de l’X pat ou X mat

Dans les tissus extra-embryonnaires: X paternel reste inactivé

Chez la souris


E.Heard


Plusieurs étapes:



Propagation en cis




Mise en place de l’inactivation de l’X : étape de sensing

Appariement transitoire des chr X au tout début de la différenciation

Au niveau du locus Xpr « X-pairing region » (situé à 200 kb de XIC, dans sa partie proximale)

Permet à la cellule de détecter la présence des 2 chr X (étape de sensing)

Activation du gène Xist (hypothèse: effet transactivateur du locus Xpr sur le gène Xist)

Expression biallélique de l’ARN Xist en cislundi 4 janvier 2010

Mise en place de l’inactivation de l’X : initiation de l’inactivation

Seconde phase d’appariement des 2 chromosomes X (au niveau du locus Tsix)

Expression monoallélique de l’ARN Xist (étape de choix)


Comptage des chromosomes X

Dans une cellule diploïde :Tous les chr X sont inactivés à l’exception d’un seul

Dans une cellule tétraploïde:2 chr X restent actifs / 1 X actif par lot diploïde d’autosomes

Rôle de l’appariement de Xpr entre les 2 chr X?

Choix au hasard d’un chromosome X restant actif

Un seul X est actif dans la cellule

Rôle de l’appariement de Tsix entre les 2 chr X ?

Mise en place de l’inactivation de l’X : initiation de l’inactivation



Transcription de Xist dans les cellules ES XX murines au cours de la différenciation

E.Heard


Plusieurs étapes:



Propagation en cis




Accumulation d’ARN Xist par le chr Xi

Propagation bidirectionnelle vers les deux bras du chromosome X grâce aux séquences LINEs

Recouvrement du chr Xi par l’ARN Xist

Avner et Heard Nature Review Genetics 2001

Mise en place de l’inactivation de l’X : Propagation

LINEs 29% des séquences de l’X / 16% des séquences des autosomes lundi 4 janvier 2010

Plusieurs étapes:



Propagation en cis




Modification des histones (methylation / désacétylation / ubiquitination)

Recrutement de protéines dont la macroH2A (histone variante)

Hyperméthylation de l’ADN au niveau des îlots CpG

Mise en place de l’inactivation de l’X : Stabilisation et maintien de l’état inactif


E.Heard


« Coating » de l’Xi par l’ARN Xist Exclusion de l’ARN pol II (et facteurs de transcription) du compartiment

nucléaire inactif crée par Xist Précède l’inactivation des gènes de l’X

Rôle de la compartimentation nucléaire dans la mise en place de l’inactivation

E. Heard


L'ARN de Xist (en vert) forme rapidement un compartiment nucléaire inactif dans lequel les gènes se placent au fur et à mesure qu'ils sont inactivés (RNA Pol II -

marque d'activité, bleu; H3K27me3 - marque d'inactivité, rouge)

E. Heard


Frottis buccal

Comptage des corpuscules de Barr : Coloration à l’orcéine / giemsa (CB visible dans ~ 10-15% des cellules) Sérum autoimmun (IF)


Technique cytogénétique

Asynchronie de réplication des deux chromosomes X

X inactif réplication tardive

Coloration différentielle des segments chromosomiques à réplication tardive de ceux à réplication précoce (incorporation de Brdu en fin de cycle / coloration avec le colorant Hoechst / lampe UV)

Nécessité d’une anomalie de structure de l’X afin d’identifier le chromosome X inactif


X normal

X transloqué

Translocation (X;1) déséquilibrée de novo ⇒ trisomie 1q

Necker Enfants Malades


Technique de biologie moléculaire

Étude de la méthylation de la région qui se situe en 5’ du gène du récepteur aux androgènes en Xq12

Région méthylée sur le chromosome X inactif

Distinction des 2 chromosomes X (maternel et paternel) par des polymorphismes de répétition au niveau du gène du récepteur aux androgènes (CAG)n

Gène du récepteur aux androgènes

(CAG)n

Exon 1 du gène du récepteur aux androgènes : région polymorphique (CAG repeat) Xq12

5’ 3’



(CAG)n

HpaII


Chromosome X actif

5’ 3’

E de restriction sensible à la méthylation

primerprimer



(CAG)n

HpaII

PAS D’ AMPLIFICATION


Chromosome X actif

5’ 3’


primerprimer



HpaII

AMPLIFICATION


Chromosome X inactif

5’ 3’


primerprimer(CAG)n

Methylation îlots CpG



(CAG) 15


(CAG) 10


Père

Mère

10 répétitions CAG

15 répétitions CAG


•Amplification de l’allèle présent sur l’X inactif

•Obtention d’un pic pour chaque allèle (paternel / maternel) (valeur semiquantitative)

PCR Fluorescente


Pathologies liées au chromosome X

Anomalies de structure concernant l’X

Anomalies géniques

2 conséquences :

Biais d’inactivation de l’X

Disomies fonctionnelles




Anomalies géniques

2 conséquences :




Biais d’inactivation Inactivation préférentielle d’un chromosome X paternel ou maternel dans

plus de 90% des cellules

Inactivation X paternel

Inactivation X maternel


Causes du biais d’inactivation de l’X

Causes secondaires (sélection post inactivation) +++ Anomalies chromosomiques de structure de l’X Maladies géniques liées à l’X

Cause génétique primaire (mutation de XIST) Âge Hasard Mosaïques confinées au placenta (lié au nbre de c à l’origine du zygote) Grossesses gémellaires monozygotes Tumeurs (clones)






Anomalies chromosomiques de l’X déséquilibrées délétion, duplication, anneau, isochromosome (Xq) Translocations X ; autosome déséquilibrées

Anomalies chromosomiques de l’X équilibrées Translocations X ; autosome équilibrées

Anomalies chromosomiques concernant le chr X






Anneau X Délétion de l’X Duplication de l’Xi(Xq)

Anomalies chromosomiques de l’X déséquilibrées (anneau, délétion, isochromosome, duplication)


Chromosome X actif

X anormal est INACTIF





Chromosome X actif




Syndrome de Turner



Chromosome X actif




Syndrome de Turner Phénotype normal







Chromosome X Autosome

Trisomie partielle du segment autosomique transloqué

Anomalies chromosomiques de l’X déséquilibrées Translocation X ; autosome déséquilibrée


X inactif Autosome

X transloqué est le plus souvent INACTIF

X actif



Autosome

Inactivation peut s’étendre au segment d’autosome en excès

Mais ne corrige pas complètement le déséquilibre autosomique


X inactifX actif


Autosome

Inactivation peut s’étendre au segment d’autosome en excès

Mais ne corrige pas complètement le déséquilibre autosomique

Phénotype anormal:

Trisomie partielle du segment autosomique transloqué


X inactifX actif







Anomalies chromosomiques de l’X équilibrées Translocation X ; autosome équilibrée


Autosomes

X normal est le plus souvent INACTIF


X inactif X actif


Autosome

Phénotype normal

+/- FCS récurrentes

Dysfonctionnement gonadique (pt de cassure entre Xq13 et Xq26)

Maladie récessive liée à l’X


X inactif X actif






Maladies liées à l’X

Biais d’inactivation de l’X est retrouvée plus fréquemment chez les femmes porteuses d’une mutation d’un gène lié à l’X

Maladies liées à l’X

Après inactivation aléatoire d’un chromosome X dans la cellule désavantage sélectif envers les cellules qui auront « choisies » l’X porteur de la mutation comme actif


Expression clinique des maladies liées à l’X (en fonction de l’inactivation de l’X)

* Hémophilie A / Myopathie de Duchenne

Mutation récessive

Mutation dominante

Inactivation au hasard d’un chr. X

Phénotype normal

Phénotype anormal

Inactivation de l’X porteur de l’allèle

pathologique

Phénotype normal

Phénotype normal ou atténué

Inactivation de l’X porteur de l’allèle normal

Phénotype anormal*

létale (le plus souvent)




Anomalies géniques

2 conséquences :





Pour la majorité des gènes portés par l’X

Un seul allèle est fonctionnel dans les cellules somatiques


Expression en dose excessive de gènes sur l’X

Embryon souvent non viable



Anomalies chromosomiques susceptibles d’entraîner une disomie fonctionnelle

Translocations X ; autosomes Situations dans lesquelles un segment de l’X peut être séparé de son

centre d’inactivation

Anneaux de l’X

Duplications de l’X


Anomalies chromosomiques de l’X non équilibrées - Translocation X; autosome déséquilibrée

Chromosomes X Autosome



X inactif X actif Autosome

Disomie fonctionnelle homogène pour le segment du chromosome X transloqué sur l’autosome

Monosomie partielle de l’autosome

quelque soit le chr. X inactif



X inactif X actif Autosome

Disomie fonctionnelle homogène pour le segment du chromosome X transloqué sur l’autosome

Monosomie partielle de l’autosome

quelque soit le chr. X inactif

Phénotype anormal





X inactif Autosomes

X normal est le plus souvent INACTIF

X actif



Autosomes

Parfois X transloqué est inactif


X inactifX actif


Autosomes

Disomie fonctionnelle pour le segment du chromosome X transloqué sur l’autosome (en mosaïque le plus souvent)


Monosomie fonctionnelle

X inactifX actif


Autosomes




X inactifX actif


Autosomes


Phénotype anormal



X inactifX actif


Dysplasie pigmentaire selon les lignes de Blaschko (selon le trajet des cellules pigmentées au cours du développement du derme )

Reflet d’un mosaïcisme génétique


Anomalies chromosomiques de l’X déséquilibrées (anneau, duplication de l’X)

Anneau X Duplication de l’X


Chromosome X actif



Anneau X Duplication de l’X

Anomalies chromosomiques de l’X déséquilibrées (anneau, duplication de l’X)


Anneaux de très petites tailles

Perte de XIST ou non expression de XIST

Disomie fonctionnelle du segment de l’X correspondant à l’anneau

X actif

Anneaux de l’X

Marie –France Portnoïlundi 4 janvier 2010

Anneaux de très petites tailles

Perte de XIST ou non expression de XIST

Disomie fonctionnelle du segment de l’X correspondant à l’anneau

X actifPhénotype anormal

Anneaux de l’X

Marie –France Portnoïlundi 4 janvier 2010

Dans certains cas d’anneaux de très petite taille

présence uniquement de la région péricentromérique hétérochromatique

Phénotype: Syndrome de Turner

Anneaux de l’X


X actif

Duplication de l’X

X inactifX actif X inactif


X actif


X inactif

Phénotype normal

X actif X inactif


Disomie fonctionnelle du segment dupliqué

X actif

Phénotype anormal


X inactif

Phénotype normal

X actif X inactif


Situation en prénatal

Difficulté du conseil génétique

Etude du biais d’inactivation de l’X sur SF ou LA ?

Quelles situations ?

Anneau de l’X


Translocation X; autosome

Pb variabilité du biais d’inactivation de l’X selon les tissus

pas toujours de corrélation entre SC / biais inactivation


Remerciements

Catherine Turleau


Documents

Inactivation du chromosome X...Mise en place de l’inactivation de l’X : étape de sensing Appariement transitoire des chr X au tout début de la différenciation Au niveau du locus