تعطيل كروموسوم الجنس Imprinting of X Chromosome

تعطيل كروموسوم X الذي هو احد الكروموسومات المحددة للجنس في العديد من الأنواع الحيوانية وبضمنها اللبائن ويكون النمط الأنثوي XX والذكري XY ، ويحوي كروموسوم الجنس X على حوالي 153 مليون من النيوكلوتيدات وتمثل في الإناث ما يقرب من 5% من الجينوم وفي الذكور 2.5 %. ويحوي الكروموسوم X حوالي 2000 جين من المجموع الكلي لجينات الإنسان البالغة 25,000 - 30,000 (على آخر تقديرات الجهات المختصة)

الكروموسوم X يحوي على جينات معظمها ليس له علاقة بالصفات الجنسية ، والكروموسوم Y يحوي حوالى 100 جين فضلا عن احتوائه على منطقة تحديد الجنس (Sex Determining Region Y ( SDY  التي تحدد الصفات الجنسية في الذكور

وفضلا عن ذلك تحوي كل من الكروموسوم X و Y على مناطق متشابهة هي (Pseudoautosomal Region ( PAR عند الاطراف والمسئولة عن تقابل الكروموسومين اثناء عمليات الانقسام وتحوي على حوالي 9 جينات لا يتم تعطيلها في الكروموسوم X كما في الشكل الاتي

وحصول الطفرات في الكروموسوم الأنثوي X Chromosome يطلق عليها الطفرات المرتبطة بالجنس ويعطل أحد كروموسومي X في الإناث في الحياة الجنينية المبكرة وينحسر في تركيب يسمى Barr Body في الخلايا الجسمية
عدد جسيمات بار = عدد كروموسومات X-1 

اذ يبقى في الخلية كروموسوم X واحد فعال والبقية تعطل وتلاحظ هذه في الطور البيني Interphase في خلايا الاناث الانسان .

وااتعطيل يحصل لإعطاء فرصة متكافئة لكلا الجنسين ومنع زيادة جرع الجينات في الإناث. الكروموسوم الأنثوي يكون اكبر من الكروموسوم الذكري( Y Chromosome ) كما موضح في الشكل أعلاه وفيه كروماتين حقيقي أكثر من الذكري، وتوجد فيهم مناطق متشابهة ويفتقر الكروموسوم الذكري الى بعض المناطق الثابتة الموجودة في الكروموسوم الأنثوي. وبما ان الذكور تحوي نسخة من الكروموسوم الأنثوي فهم عرضة للأمراض المتعلقة به.
وتظهر العديد من الاضطرابات نتيجة الاختلاف في عدد الكروموسومات الأنثوية بشكل خاص فمثلا زيادة الكروموسوم الأنثوي XXY في الذكور تؤدي الى زيادة المواد الوراثية من الكروموسوم الأنثوي التي تتداخل مع تطور الذكور وتقلل من هرمون Testosterone وتمنع Testicles من العمل بشكل طبيعي، وهناك حالات أخرى مثل XXYY ، XXXY ، XXXXY هذه في العادة ترتبط بانخفاض القابلية على التعلم والقراءةة ، ويكون معدل الذكاء IQ في حالة XXY في الحدود الطبيعية ولكن ما بعدها من الزيادات تقلل من مستوى الذكاء . كما ان الإناث ذات النمط XXX يكون مستوى الذكاء عندهم 90 حوالي مقارنة ب XX) 100 )، ولكن مجموعة XXX تكون فيها الإناث أطول قامة وخصبات اي كثيرات الولادة وهي صفة لا تورث لأبنائهن . ويمكن ان تكون الخلايا الجسمية موزائيكية او مختلطة البعض XY طبيعي والآخر XXY ، كما انه توجد حالات كثيرة ترافق بعضها صفات مظهرية واضحة.
ولهذه الأسباب يحصل تعطيل للكروموسوم الأنثوي وتسمى ايضا Lyonization باسم مكتشفتها Mary Lyon . ويكون التثبيط لأحد الكروموسومات X في الإناث وذلك بتغليفه بكروماتين متباين معطل لانتساخ، واختيار اي من الكروموسومين للتعطيل قد يكون عشوائيا في الفئران والإنسان ذات المشيمة وعند تعطيله يستمر طوال حياة الخلية اما في الجربيات Marsupialia فان التعطيل يكون للكروموسوم الآتي من الأب. وتحصل عملية التعطيل في الحياة المبكرة اي في مراحل جنينية في المشيمة والأنسجة الأخرى المساندة للجنين ويبقى الكروموسوم الأموي فقط هو الفعال، وتكون عملية التعطيل غير قابلة للرجوع في حياة الخلية ويرجع في بيوض الإناث.

والإناث الطبيعية تحوي على كروموسومين أحدهما نشط يرمز له Xa والآخر معطل Xi وفي حالة احتواء الخلايا على أكثر من اثنين من الكروموسومات الأنثوية يبقى واحد فعال والأخرى تكون معطلة. وهناك عامل يرتبط الى الكروموسوم ويمنع تثبيطه اما الباقي فيتم غلقها لمحدودية هذه العوامل. ويرتبط العامل المذكور الى منطقة محددة على الكروموسوم Xa تسمى (X-inactivation Center (XIC  تسيطر على إسكات الكروموسوم والعامل المفترض يرتبط الى هذه المنطقة. ان XIC تكون ضرورية وكافية لتعطيل الكروموسوم وذلك واضحا عندحصول التناقل بين الكروموسومات فان انتقال القطعة XIC الى كروموسوم جسمي يؤدي الى تعطيله، فضلا عن ان الكروموسومات الأنثوية التي ليس فيها XIC لا تعطل.
والمنطقة Xic هي التي تشعر وتتحسس عدد كروموسومات X وتقرر بقاء واحد فعال وهي التي تقرر ايضا أي من الكروموسومات الاموي او الابوي الذي سيعطل ويكون ذلك بتاثير Xce التي يبلغ طولها حوالي 1Mb ولها اليلات مختلفة في الفيران التي تتفاضل في تاثيرها (Xce(a) < Xce(b) < Xce(c) < Xce(d ، اما المناطق التي تشملها والتي تكون المنفذة هي Xist ( Xq13 ( ويمكن ان تتداخل مع مناطق مجاورة ( Xq13,q21 ) وتشغل منطقة تختلف بين الاحياء من 10 - 19.3 كيلو قاعدة وتوجد قرب مركز الكروموسوم

وتحوي منطقة XIC على جينين لل RNA غير قابلة للترجمة هما Xist و Tsix العاملة في إسكات الكروموسوم الأنثوي، والمنطقة تحوي على مواقع ارتباط للبروتينات المنظمة المعروفة الهوية وأخرى لا تزال غير معروفة.
والجين (Xist (X-inactive specific transcript يعطى جزيئة RNA غير مشفرة مسئولة عن إسكات الكروموسوم الذي تنتسخ منه حيث يقوم Xist RNA بتغطية الكروموسوم المعطل وليس Xa الفعال

ولذلك فالكروموسوم الذي ينقصه Xist Gene لا يمكن ان يعطل ونقل الجين Xist الى الكروموسومات الجسمية وانتساخه يؤدي الى تعطيلها. والملاحظ انه قبيل عملية التعطيل فان كلا الكروموسومين الأنثوية تكون فعالة بشكل ضعيف لإعطاء Xist RNA واثناء عملية التعطيل فان أحدهما Xa يوقف انتساخ Xist ، في حين ان Xi (المحدد مسبقا) يزداد فيه إنتاج Xist RNA ويغطي الكروموسوم بدءا من XIC ويسكت الأغلبية العظمى من الجينات الموجودة عليه.
اما Tsix فهو الآخر يشفر لجزيئة RNA كبيرة لا تشفر للبروتينات وتنتسخ من الشريط النقيض لل Xist ، ويكون Tsix المنظم السلبي لل Xist ، لذلك فالكروموسوم الذي ينقصه Tsix يكون التعبير فيه عند مستويات عالية من انتساخ Xist ويعطل بشكل اكبر من الكروموسوم الطبيعي، ومثلما هو الحال قبيل عملية التعطيل فان كلا الكروموسومين الأنثوية تنتج مستويات واطئة من Tsix RNA من الجين Tsix Gene وعند التعطيل فان الكروموسومات التي مصيرها Xi توقف التعبير من Tsix RNA ، وتزيد من التعبير عن Xist في حين يستمر Xa في التعبير عن زيادة عن Tsix لعدة أيام .
والأغلبية العظمى من الجينات في الكروموسوم المعطل لا يعبر عنها مقارنة بالكروموسوم غير المعطل وذلك نتيجة لإسكات لجينات Xi بجزيئات RNA والكروماتين المتباين. والملاحظ ان Xi فيه مستوى عالٍ من مثيلة DNA

مقارنة بالكروموسوم الفعال Xa كما في الشكل الاتي :

وكذلك يلاحظ مستوى واطئ من أستلة الهستونات وكذلك مستويات واطئة من مثيلة الهستون H3 عند ثمالة اللايسين الرابعة في حين يكون مستوى مثيلة ثمالة اللايسين التاسعة عاليا للهستون H3 وهذه كلها أحداث مرتبطة بإسكات  الجين، فضلا على احتواء Xi على نوع من الهستونات هي Macro H2H الذي يوجد على الجسيمات النووية له. ولكن بعض جينات Xi يمكن ان تتجاوز التعطيل، كما ان بعض الجينات يعبر عنها بشكل متكافئ مع جينات Xa . وتجاوز عملية التعطيل تحصل في جينات الفئران اما في الإنسان فهناك حوالي 25 % من الجينات على Xi المعطل تتجاوز التعطيل ويعبر عنها وتكون هذه بشكل عناقيد.
ومن جهة ثانية هناك بعض الجينات التي تتجاوز عملية التعطيل تحوي على بعض المناطق الموجودة على الكروموسوم الذكري هذه تسمى المناطق الجسمية الكاذبة Pseudoautosomal Region ، وبما ان كلا الجنسين يستلم نسخة من الجينات الحاوية على هذه المنطقة لذلك لا حاجة الى عمليات التعويض والتكافؤ في جرع الجين، وهذه المناطق في Xi لا تحوي على التحويرات الموجودة في باقي Xi وبذا فهي تمتلك وترتبط بالقليل من Xist RNA المسكتة. ان وجود جينات فعالة على الكروموسوم المعطل وبمساعدة بعض الاضطرابات في عدد الكروموسومات مثل حالة XO تؤدي الى بعض الأمراض. وآلية الطمغ كظاهرة وراثية يتم فيها التعبير عن الجين بشكل معتمد على الأصل فيما اذا كان من الأم او الأب وهي عملية مستورثة مستقلة عن الوراثة المندلية، والجين المطموغ يعبر عنه من النسخة (الاليل) الآتي من الأم او الأب، والمناطق المطموغة تكون في العادة ذات مثيلة عالية واقل نشاطا من حيث الانتساخ، وهذه الطمغات يمكن ان تمحى او تجدد في الحياة الجنينية المبكرة، وتوجد في الحشرات واللبائن والنباتات المزهرة. وعملية الطمغ كما موضح آنفا هي عمليات تتم خارج نطاق توالي القواعد في DNA اي انها ضمن الوراثة اللاجينية وتشمل عمليات المثيلة لل DNA وتحوير الهستونات وغيرها للوصول الى التعبير عن نسخة واحدة من الجينات دون تغير تواليه، وهذه الواسمات اللاجينية تستحدث في الخلايا الجرثومية التناسلية وتبقى في الخلايا الجسمية للكائن وعملية التعبير عن الجينات المطموغة يكون ضروريا في عمليات التطور وعند حصول اضطرابات فيها تؤدي الى عدة أمراض منها Angelman Syndrome ، Prader-Willi Syndrome و Silver-Russell Syndrome وغيرها. وفي الأحياء ثنائية مجموعة الكروموسومات تحوي الخلايا الجسمية على نسختين من الجينوم ويكون كل جين ممثل بنسختين او ألليلين آتية من أحد الوالدين وفي عموم الجينات الجسمية يكون التعبير آتيا من النسختين بشكل متزامن. وفي اللبائن هناك حوالي 1% من الجينات تكون مطموغة اي ان التعبير يتم من أحد النسختين فقط وهذا يعتمد على أصل الجين هل هو آتي من الأم او الأب فمثلا الجين المشفر لمستقبل الأنسولين (Insulin-like Growth Factor 2 (IGF2/Igf يعبر من النسخ الآتية من الأب فقط. وقد اكتشفت الحالة في الحشرة Pseudococcus nipae التي تنشأ من بيضة مخصبة، وفي البيوض التي تعطى إناث تبقى كروموسوماتها في حالة كروماتين حقيقي اما في الذكور فان مجموعة من الكروموسومات تكون في حالة كروماتين متباين بدأ من الانقسام السادس للبيضة المخصبة وتبقى كذلك في معظم الأنسجة وتكون هذه نتيجة عملية الطمغ والتي بدورها تحدد جنس الكائن. وعملية الطمغ تكون مميزة لبعض اللبائن ففي الفئران وجد ان الحاجة ماسة لمشاركة كل الجينوم الأبوي والأموي ، واما في الإنسان فان هناك نسبة كبيرة من الجينات المطموغة تعمل أثناء نمو الجنين والمشيمة وتطور الكائن. وهناك عدة طرق لتحديد عملية
الطمغ منها طرق تقليدية ولكن التطورت في الوقت الحاضر والطرق الحديثة التي استعملت لرسم خرائط طمغ جينومات مختلفة أشارت الى ان 80 % من الجينات المطموغة تتجمع على شكل عناقيد وتسمى الدومينات المطموغة والتي تشير الى وجود سيطرة منظمة على توزيعها.

ومن الاليات المقترحة والمشاركة في التعطيل بشكل فاعل هو انتاج العوامل الغالقة Blocking Factors وهذه تستهدف Xce فتكون الكروموسومات المغلقة فيها هذه المناطق فعالة والعكس صحيح . ومن مظاهر التعطيل الاخرى هي عملية المثيلة اذ تكون CpG ممثيلة في الجينات المعطلة ، فضلا عن وجود الهستونات المحورة التي تم ملاحظتها في الكروموسومات المعطلة ، والانتساخ ينشط عندما تكون الهستونات ذات استلة عالية Hyperacetylation وينخفض بانخفاض حالة الاستلة ، لذلك تكون هستونات الكروموسوم المعطل واطئة الاستلة مثل الهستونات H4 , H3 , H2A هذا فضلا عن اختلاف حالة مثيلة الهستونات واختلاف نمط التحويرات الاخرى ، وتشارك في ذلك عناصر وراثية اخرى مثل LINE1 .
والاحداث والآليات المذكورة اعلاه لا تتم دفعة واحدة اثناء تعطيل كروموسوم X من الناحية الزمنية وانما تكون بتوقيت مقنن ، فهناك تعطيل بعد التلقيح وقبل غرز الجنين Implantation والاخرى تتم بعده ، كما ان التعطيل لا يكون متساوي في الخلايا الجسمية ، ففي النهاية يلاحظ ان هناك 50 % من الخلايا الناتجة في الاناث تعبر عن كروموسومها الابوي و 50 % تعبر عن كروموسومها الاموي وبالتالي تكون خلايا الاناث بشكل خاص موزائيكي التعبير
وعمليات التعطيل لا تكون مستمرة طول الوقت فهي يمكن ان تبدأ في مراحل مبكرة من الحياة الجنينية وتخفت بعدها بعمليات المثيلة للعناصر المعطلة الى حين الغرز لتعود ثانية عند بدأ تكوين الجنين وتكون المضغة المكونة من حوالي 5000 خلية ، وتختلف الاوقات في الانواع المختلفة وتعتمد على الظروف المحيطة وبذا يكون التوقيت احد عوامل التعقيد في فهم عمليات التعطيل .
ومن المعروف ان عمليات التعطيل هي اساسا للتقليل من الجرع الجينية في الاناث وجعلها متكافئة مع الذكور ، والجينات على كروموسوم X ليس كلها خاصة بالجنس ، فضلا عن ان كروموسوم Y يحوي القليل من جينات الادامة Housekeeping Genes ، لذلك كان هناك ما يسمى بالامراض المتعلقة بالجنس X-linked Diseases ، وعادة تكون هذه قليلة في النساء لاحتوائهن على نسختين او صورتين او اليلين من الجين الواحد وعند عطب احدهما تقوم الاخرى بالتعويض، فمثلا مرض نزف الدم الوراثي (Hemophilia A ( Clotting Factor VIII  و النوع B ( نقص Clotting Factor IX) تكون قليلة في النساء ، فضلا عن عدد كبير من الامراض التي يكون للجنس دخل فيها .

ومما ذكر اعلاه فان التعطيل يكون للكروموسوم X الا ان الملاحظ ان هناك بعض الجينات تهرب وتتجاوز هذا التعطيل او الاسكات ، ومثل هذه الجينات هي الواقعة في PAR المذكورة آنفا التي تقع عند اطراف الكروموسومات وهي موجودة في كل من الكروموسوم X و Y ووجود هذه الجينات لا يؤدي الى زيادة الجرع الجينية فضلا عن ان بعض الجينات الهاربة من الاسكات والواقعة على الكروموسوم X لا يوجد لها نظير على الكروموسوم Y ولكن هذه قد تكون تجمعت فيها الطفرات واصبحت جينات كاذبة Pseudogenes . وقد وجد ان بعض الجينات في الكروموسوم المعطل Xi تبقى فعالة وتكون بشكل تجمعات Clusters في المناطق البعيدة من الذراع القصير (Xp) وهي اقل مما في المناطق القريبة من XCI (منطقة التعطيل) القريبة من مركز الكروموسوم وفيها كثافة قليلة من مكررات LINE1 أي تشبه الكروموسومات الجسمية من هذه الناحية .
وبعد حصول التعطيل واتمام عملياتها لابد من ان تكون هناك ادامة لعمليات التعطيل والا افلتت الامور من عقالها وادت الى الاضطرابات ، علما ان عملية الادامة تكاد تكون مستقلة عن عملية التعطيل وتتخذ نواحي عدة منها عمليات تحوير الهستونات والمثيلة ، فالكروموسوم المعطل Xi وبعد التضاعف تكون هستوناته محورة بشكل محدد ، فالهستونات H4 , H3 تكون حاوية على القليل من مجاميع الاستيل Hypoacetylated أي تكون خاملة من حيث الانتساخ ، والهستون H3 يكون حاويا على المثيل على بعض ثمالات اللايسين K27 , K9 وكذلك الثمالة K4 ، كما ان بعض الثمالات تكون حاوية على مجاميع المثيل في موقع او اكثر كما في الاتي :

H3K27-me3- Trimethylation
H3K9-2me-Dimethylation
H4K20-me-monomethylation
فضلا عن ادماج متغايرات مثل Macro H2A وحصول تغيير في مثيلة DNA وتغيير توقيت التضاعف ، اذ تكون CpG على درجة عالية من المثيلة . وهذه تكون صفات عامة للتعطيل ، واضافة الى ذلك تشارك العناصر المكررة مثل LINE1 في ادامة التعطيل وذلك لان الكروموسوم X في الانسان والفيران يكون غنيا بهذه المكررات وكذلك وجد في الاحياء الاخرى ، فقد وجد ان 26 % من LINE1 توجد في الكروموسوم X مقابل 13 % في الكروموسومات الجسمية ومنطقة Xist على وجه الخصوص تكون غنية جدا بها .
والصورة النهائية للكروموسوم المعطل تكون بوجود Xist RNA التي تغلفه ، وتنتشر فيه مجاميع المثيل وتقل مجاميع الاستيل في هستوناته .