X-Inaktivierung

:: Inaktivierung ::

Während das Fehlen eines Autosoms mit dem Leben unter keinen Umständen vereinbar ist, kann eine Patientin mit einer Monosomie X durchaus überleben. Der Grund dafür liegt in einer Gendosiskompensation.

Diese Gendosiskompensation führt zu einem Ausgleich der Genexpression der meisten X-gebundenen Genen. Dieses Phänomen wird Inaktivierung oder "Silencing" des X-Chromosoms genannt. Dies bedeutet, dass in den somatischen Zellen der weiblichen Säuger jeweils nur ein X-Chromosom aktiv ist. Dies gewährleistet eine gleich große Menge an X-gebundenen Genen in beiden Geschlechtern.

Ein X-gebundenes Inaktivierungs-Zentrum (XIC) an Xq13.2 ist für die Einleitung der Inaktivierung verantwortlich. Die genaue Größe des XIC ist nach wie vor unklar.

Bekannt ist, dass es das 17 kb lange XIST Gen (X-chromosome inactive specific transcript) einschließt. XX-Frauen mit einem deletierten XIST Gen weisen die phänotypischen Auffälligkeiten eines Ullrich-Turner-Syndroms auf.

Index

:: Inaktivierung
:: Lyon-Hypothese
:: Prinzip
:: Gonosomale Aberration
:: Ullrich-Turner-Syndrom
:: Quellenangabe


Begriffe

Methylierung

chemischer "Schalter" für die Feinregulation der Genexpression, der bestimmte Gene sowohl an- als auch ausschalten kann

:: Lyon-Hypothese

In den somatischen Zellen weiblicher Säugetiere liegen zwei X-Chromosomen vor (ein maternal
und ein paternal ererbtes). Die Hypothese der X-Inaktivierung wurde 1961 von Mary Lyon entwickelt. Die X-Inaktivierung dient der Gendosiskompensation. Um einen Dosis-Ausgleich von x-chromosomal codierten Genprodukten gegenüber männlichen Zellen (nur ein maternales X-Chromosom) zu erzielen, wird eines der beiden X-Chromosomen in der weiblichen Zelle inaktiviert.

In jeder somatischen Zelle ist immer nur ein X-Chromosom aktiv. In den weiblichen somatischen Zellen wird das zweite X-Chromosom inaktiviert, liegt als stark komprimiertes Heterochromatin vor und ist lichtmikroskopisch als Geschlechtschromatinkörperchen, das sogenannte "Barr-Körperchen", sichtbar. Seine Bestimmung (zum Beispiel im Abstrich der Wangenschleimhaut) ist ein wichtiges diagnostisches Mittel bei der Abklärung von Abweichungen in der Anzahl von Geschlechtschromosomen.

In diploiden Zellen werden alle X-Chromosomen bis auf eines inaktiviert. Die Zahl vorhandener Barr-Körperchen ist also jeweils um eins geringer als die Gesamtzahl der in der Zelle vorhandenen X-Chromosomen. In normalen männlichen Zellen mit XY findet man daher kein Barr-Körperchen, während in normalen weiblichen Zellen mit XX eines vorhanden ist.

Frauen mit Ullrich-Turner-Syndrom (Monosomie X) besitzen dementsprechend kein Barr-Körperchen. Infolge der Inaktivierung überzähliger X-Chromosomen sind auch Menschen mit mehreren X-Chromosomen lebensfähig, z. B. Frauen mit 3 X-Chromosomen.

 :: TOP ::

:: Prinzip der X-Chromosomen Inaktivierung

Der Vorgang der Inaktivierung ist in den Zellen grundsätzlich irreversibel, also nicht umkehrbar. Eine Aufhebung dieses Inaktivierungsmusters findet nur bei der Bildung der Keimzellen statt.

Methylierung in den Keimzellen

Gene können durch Methylierung während der Keimzellenbildung im künftigen Embryo herkunftsspezifisch stillgelegt werden (Imprinting). Bei der DNA-Methylierung handelt es sich um eine chemische Abänderung an Grundbausteinen der Erbsubstanz. Diese Abänderung (Modifikation) wird durch die Übertragung von Methylgruppen durch Enzyme (DNA-Methyltranferasen) auf Nukleobasen an bestimmten Stellen innerhalb der DNA hervorgerufen. 

Dies passiert in der weiblichen Keimbahn mit dem XIST-Locus (X-Inactive specific transcript). Er wird methyliert, d.h. blockiert, und ist im künftigen Embryo vorerst inaktiv. Da ein Mann nur das maternale und damit inaktive XIST erhält, kann es keine (hier tödliche) X-Inaktivierung geben.

Heterochromatisierung

Die Inaktivierung (Heterochromatisierung) eines der beiden X-Chromosomen erfolgt vergleichsweise früh in der Entwicklung, und zwar bereits während des 12. und 16. Tages nach der Befruchtung der Eizelle (Blastozytenstadium, 100 Zellstadium).

Bei plazentalen Säugern wird die Methylierung des maternalen XIST (das paternale XIST ist grundsätzlich aktiv) beim weiblichen Embryo aufgehoben, beide X-Chromosomen bleiben einige Zellteilungen lang aktiv, bis eines von ihnen inaktiviert wird.

Die X-Inaktivierung geschieht durch eine nichtkodierende RNA (XIST = X-chromosome inactivation specific transcript), die vom X-Inaktivierungszentrum (XIC = X-inactivation center) auf Xq13 gebildet wird. Bei XIC handelt es sich um eine multifunktionelle Genregion am X-Chromosom, die zusammen mit anderen Genen die Initiierung und auch die Ausbreitung der Inaktivierung über das gesamte Chromosom steuert.

Die RNA interagiert mit dem Chromatin und löst Strukturveränderungen aus, die sich über das ganze zu inaktivierende X-Chromosom ausbreiten. Dies hat die Ausbildung des kondensierten Heterochormatins (Barr-Körper) zur Folge.

Kurz darauf wird die Methylierung des XIST-Locus auf dem zweiten X-Chromosom durchgeführt, denn das XIST-Gen selbst ist nur auf dem inaktiven X-Chromosom aktiv, aber auf dem aktiven inaktiv (methyliert = blockiert).

Inaktivierung

Die Inaktivierung folgt im Allgemeinen dem Zufälligkeitsprinzip - mal wird also das X-Chromosom mütterlicher Herkunft, mal das väterlicher Herkunft inaktiviert.

Alle nachfolgenden (durch Mitose entstehenden) Zellen "erben" das Inaktivierungsmuster jener Zelle, in der die erste Inaktivierung erfolgte: Es gibt demnach Zell-Linien (Zell-Klone), in denen durchgehend das X-Chromosom mütterlicher Herkunft inaktiviert ist, und Zell-Linien, in denen durchgehend das X-Chromosom väterlicher Herkunft inaktiviert ist. Jede Frau weist in ihrem Gewebe also ein Mosaik klonaler Zellen auf, in denen entweder das väterlich vererbte X-Chromosom oder das mütterliche X-Chromosom aktiv ist.

:: TOP ::

:: Gonosomale Aberration

In Zellen mit mehr als einem X-Chromosom, also z.B. auch in den  X-chromosomalen Polysomien, wie z.B. XXY oder XXX werden alle X-Chromosomen außer einem inaktiviert.

Doch nicht alle Gene werden auf dem entsprechenden X-Chromosom inaktiviert, sonst wäre kein Unterschied zwischen einer gesunden Frau und einer Patientin mit Turner-Syndrom (45,X) oder einem gesunden Mann und einem Patienten mit Klinefelter-Syndrom (47,XXY).

Aberrantes X-Chromosom 

Es waren strukturelle Mutationen des X-Chromosoms, die die Voraussetzungen zur Aufklärung des Mechanismus der Inaktivierung legten. Beim Vorhandensein eines normalen und eines aberranten X-Chromosoms ist letzteres praktisch stets inaktiv, was die geringen klinischen Auswirkungen verständlich macht.

Überraschend bei der Untersuchung diverser Fälle war jedoch, dass Isochromosomen für den langen Arm nicht selten sind, solche für den kurzen Arm aber unter Neugeborenen bislang nicht gefunden wurden. Diese Isochromosomen sind genetisch aktiv und die genetische Imbalance ist so groß, dass die Embryonen frühzeitig absterben. Das hieß aber auch, dass das für die Inaktivierung verantwortliche Segment auf dem langen Arm gelegen sein muss.

Diese Inaktivierung kann im Falle von X-Autosomen-Translokationen auch auf das angrenzende autosomale Material übergreifen und die betreffenden Gene - teilweise - inaktivieren. Im Falle balancierter X-Autosomen-Translokationen ist das Translokationschromosom bei den Trägerinnen regelmäßig aktiv und das normale X inaktiv.

Es kommt daher zu keiner genetischen Imbalance, sodass in der Regel damit keine klinischen Konsequenzen verbunden sind. Betrifft die Bruchstelle jedoch ein Gen, z.B. das für die Muskeldystrophie vom Typ Duchenne, sind die heterozygoten Genträgerinnen erkrankt, da das normale Gen ja auf dem inaktiven X-Chromosom gelegen ist, nicht exprimiert wird und das andere Allel infolge der Chromosomenmutation defekt ist.

Triple X-Syndrom

Das Vorliegen einer kompletten Trisomie des X-Chromosoms, Triple-X-Syndrom, führt zum vorzeitigen Auftreten der Menopause < 40 Jahre (definiert als „premature ovarian failure“). Zudem kann es mit psychologischen Störungen und einer überdurchschnittlichen Körpergröße > 80. Perzentile assoziiert sein. Da bei Patientinnen mit Triple-X-Syndrom vermehrt psychische Störungen beobachtet werden, könnte ein Zusammenhang zwischen der terminalen Xq-Duplikation (aktive Genregionen auf drei anstelle zwei kurzer Arme) und der Depression hergestellt werden. Von den für Proteine codierenden Genen aus diesem Bereich werden, wie auf dem gesamten X-Chromosom, 40% auch im Gehirn exprimiert, und sind für verschiedene Regulationsmechanismen von Neurotransmittern zuständig.

:: TOP ::

:: Ullrich-Turner-Syndrom

Die klinische Variabilität unter Patientinnen mit Ullrich-Turner-Syndrom (UTS) ist erheblich und eine präzise Vorhersage über die Prognose eines betroffenen Kindes nicht möglich. Häufige klinische Auffälligkeiten sind allerdings Minderwuchs und gonadale Dysfunktionen mit meist vorhandener Infertilität. Die geistige Entwicklung ist normal und entspricht den Abweichungen der Durchschnittsbevölkerung. 

Das Krankheitsbild beim Ullrich-Turner-Syndrom resultiert daraus, dass normalerweise beide Gonosomen bis zum 12. bzw. 16. Tag nach der Befruchtung noch genetisch aktiv sind (was bei Frauen mit Turner-Syndrom nicht möglich ist). Zudem ist das normalerweise vorhandene zweite, inaktivierte X-Chromosom auch nach dem 12. bzw. 16. Tag nach der Befruchtung nicht vollständig, sondern nur weitestgehend inaktiviert.

Ein Teil der Gene entkommt nämlich der X-Inaktivierung. Man geht davon aus, dass bis zu 20% der Gene auf dem X-Chromosom der Inaktivierung entgehen. Dies sind vor allem Gene der sogenannten pseudoautosomalen Region, die auch in den homologen Bereichen des Y-Chromosom vorhanden sind und deshalb keiner Dosiskompensation bedürfen, wie z.B. das für das Wachstum wichtige SHOX-Gen. Es ist bekannt, dass Haploinsuffizienz von SHOX, also das Vorhandensein nur eines SHOX Allels, für die geringe Körpergröße bei Frauen mit Ullrich-Turner-Syndrom verantwortlich ist.

Allgemein führt schon der Verlust des kurzen Arms zur Ausprägung des typischen klinischen Bildes des Ullrich-Turner-Syndroms. Neuere Untersuchungen zeigen, dass bei strukturellen Anomalien der X-Chromosomen die Ausprägung der klinischen Merkmale vom Ausmaß der Deletion im kurzen Arm abhängt. So kennt man neben der klassischen Form mit einem durchgängigen 45,X-Karyotyp eine große Variabilität von numerischen und strukturellen Anomalien des X-Chromosoms wie Isochromosomen des langen Arms, X-Ringchromosomen oder Mosaikkaryotypen, die ebenfalls zur Ausprägung einer UTS-typischen Symptomatik führen.

:: TOP ::

Funktionelle Disomie

Frauen mit Ullrich-Turner-Syndrom zeigen normalerweise keine deutliche mentale Retardierung. Bei Patientinnen mit UTS infolge eines X-Ringchromosoms wird aber vermehrt das Auftreten schwerer geistiger Entwicklungsstörungen beobachtet. Das Ringchromosom X wird als mögliche Ursache zur Entstehung dieser mentalen Retardierung diskutiert, die durch den Verlust der X-Inaktivierung des Rings begründet sein könnte.

Von entscheidender Bedeutung ist hierbei die Größe des Ringchromosoms. Das Risiko für mentale Retardierung erscheint bei kleinen Ringchromosomen ohne XIST-Region höher zu sein als bei größeren mit der entsprechenden Region. In Fällen von Frauen mit Mosaik Ring-X-Karyotyp wurde ein Fehlen der X-chromosomalen Inaktivierung (XCI) gefunden, die mit dem Fehlen des XIST-Gens einherging. Bei diesen Frauen konnte somit der X-Ring nicht inaktiviert werden, so dass sich eine funktionelle Disomie X-chromosomaler Gene (FXD) manifestierte.

Das molekularzytogenetisch nachgewiesene Vorliegen des XIST-Gens ist aber nicht immer gleichzusetzen mit einer entsprechenden Inaktivierung des X-Chromosoms. So führt auch ein gestörter Ablauf der X-Inaktivierung durch Mutationen im XIST-Gen oder Brüchen im XIC zu einer funktionellen X-Disomie. Eine FXD kann auch durch das Vorliegen einer uniparentalen X-Isodisomie (iUPD-X) entstehen.

Eine vorhandene funktionelle Disomie X-chromosomaler Bereiche führt zu einer unphysiologischen Transkription sowohl des normalen wie auch des zweiten aktivierten X-Chromosoms. Frauen mit einer FXD zeigen normalerweise eine schwere mentale Retardierung, die vermutlich auf der Expression perizentromerischer Gene beruht, obwohl auch einige milder betroffene Frauen mit weniger von der Norm abweichendem IQ beschrieben wurden. 

:: TOP ::

:: Quellenangabe

· Multicolour Banding zur Abklärung intrachromosomaler Aberrationen

Inaugural-Dissertation, Marburg 2007 

Ingo Zimmermann
Lennestadt, Marburg

· Grundlagen der molekularen Medizin

Detlev Ganten, Klaus Ruckpaul
Verlag Springer
3., überarb. u. erw. Aufl., 2008
ISBN 978-3-540-69412-0