L’inactivation du chromosome X est sous le contrôle d’une région du chromosome X, le centre d’inactivation ( X inactivation center , XIC) , dont l’une des particularités est d’inclure de nombreux gènes ne codant pas des protéines ( Figure 1A ) . Parmi ceux-ci, XIST (X-inactive specific transcript) est l’acteur principal de ce processus ; sa transcription conduit à la synthèse d’un long ARN non-codant (lARNnc) qui s’accumule dans le noyau autour du chromosome X dont il est issu. XIST est présent uniquement chez les euthériens (ou mammifères placentaires) et sa séquence est peu conservée d’une espèce à l’autre, à l’exception des régions A à F, riches en répétitions en tandem ( Figure 1A ) , et qui jouent chacune un rôle dans la localisation de l’ARN XIST ou dans l’extinction des gènes. Via de multiples interactions ribonucléoprotéiques, notamment au niveau de ces régions [ 2 - 4 ] ( Figure 1A ) , XIST est à l’origine de la série de bouleversements, dont la cinétique et les mécanismes sont progressivement élucidés, qui mènent à la formation d’un compartiment chromosomique réprimé.

Parmi les premiers changements, l’interaction entre la région A de XIST et le co-répresseur SPEN ( split-ends ), un effecteur majeur de l’inactivation, conduit, successivement, au recrutement de SPEN sur les promoteurs actifs et les séquences enhancers du chromosome X ciblé, puis à l’exclusion de la machinerie de transcription (ARN polymérase II et facteurs généraux) et donc à l’extinction de la transcription des gènes du chromosome [ 3 , 5 , 6 ]. Par ailleurs, SPEN, formant un complexe avec HDAC3 (histone déacétylase 3), entraîne la déacétylation des histones 3 (H3) et 4 (H4), puis la perte d’autres marques de chromatine active, telles que la di- ou triméthylation de la lysine 4 de l’histone H3 (H3K4me2/3) [ 6 , 7 ]. Le recrutement successif de deux autres complexes chromatiniens répresseurs de type Polycomb, PRC1 ( polycomb repressive complex ) par les régions B et C de XIST [ 8 , 9 ] puis PRC2, conduit respectivement à l’apposition des marques répressives H2AK119ub (monoubiquitination de l’histone H2A sur la lysine 119) et H3K27me3 (triméthylation de la lysine 27 de l’histone H3) [ 7 , 10 ]. Plus tardivement, les îlots CpG des promoteurs des gènes du X inactif (Xi) sont méthylés par l’ADN méthyltransférase DNMT3B ( DNA méthyltransferase 3 B ) [ 11 ] ( Figure 1B ) .

L’inactivation du X s’accompagne également d’une réorganisation globale de l’architecture du chromosome dans l’espace nucléaire qui fait intervenir la protéine structurale SMCHD1 ( structural maintenance of chromosomes flexible hinge domain containing 1 ) [ 12 ], aussi impliquée dans la méthylation de certaines régions du Xi [ 11 ]. De plus, l’interaction de la protéine LBR ( lamina B receptor ) avec l’ARN XIST pourrait permettre d’ancrer le chromosome Xi à la périphérie du noyau et ainsi contribuer à sa répression [ 3 , 13 ], mais cela est encore débattu [ 14 ]. Par ailleurs, la localisation de l’ARN XIST sur le chromosome impliquerait à la fois des interactions entre les régions C et F de XIST, d’une part, et E, d’autre part, avec, respectivement, le facteur de transcription YY1 [ 15 ] et la protéine de matrice nucléaire SAF-A ( scaffold attachment factor A ) [ 16 ] ( Figure 1B ) .

Par les remaniements qu’il engendre, XIST est l’initiateur principal de l’ICX lors de l’embryogénèse précoce. Des éléments régulateurs, en particulier au sein du XIC , assurent une expression correcte de XIST, c’est-à-dire chez les femelles exclusivement, à partir d’un seul des deux chromosomes X et à une période précise du développement embryonnaire. Cette régulation fine de l’expression et de la localisation de XIST est fondamentale puisque l’absence d’expression de XIST au cours du développement entraîne la létalité des embryons femelles [ 17 ], et dans la mesure où XIST est potentiellement capable d’inactiver, avec plus ou moins d’efficacité, n’importe quel chromosome dans lequel il a été introduit artificiellement. Cette « propriété » a été élégamment exploitée pour rendre non-fonctionnel un des trois chromosomes 21 dans des cellules issues de patients atteints de trisomie, atténuant ainsi, in vitro , certains phénotypes moléculaires associés au syndrome de Down [ 18 ]. Cependant, le contexte est important, l’inactivation ne pouvant se mettre en place que dans certaines situations développementales ou de différenciation cellulaire [ 19 ].

L’analyse de la cinétique d’inactivation du X et du rôle de XIST chez la souris montrent que l’accumulation de XIST lors du développement embryonnaire précoce entraîne l’inactivation du chromosome concerné. Ce couplage ne semble cependant pas systématiquement transposable aux autres espèces de mammifères chez lesquels différentes stratégies semblent à l’œuvre, dans l’espèce humaine notamment ( Figure 2 ) . Si, comme chez la souris, l’expression de XIST chez l’homme est initiée très rapidement après la fécondation, dès l’activation du génome zygotique, cette expression est détectable chez les embryons mâles [ 20 ] et l’ARN XIST s’accumule au niveau des deux chromosomes X chez les femelles [ 21 ]. Plus surprenant encore, ces chromosomes couverts par XIST restent actifs [ 21 - 23 ]. Ainsi, durant le développement pré-implantatoire humain, l’accumulation de XIST n’entraîne ni l’apposition de marques répressives (H3K27me3), ni l’inactivation massive des chromosomes ( Figure 2 ) . L’hypothèse d’un mécanisme alternatif et transitoire de compensation de dose, faisant intervenir une atténuation globale du niveau d’expression des gènes des deux chromosomes X, a été proposée [ 22 ]. Ce modèle controversé s’oppose à celui d’une initiation partielle de l’inactivation de certains gènes entre le jour 5 et le jour 6 du développement embryonnaire [ 23 , 24 ]. La limitation de l’accès aux stades péri- et post-implantatoires empêche, pour l’instant, de répondre à l’ensemble des questions concernant la mise en place de l’inactivation du X chez l’homme. Le développement de procédures pour cultiver des embryons jusqu’au jour 14 du développement devrait permettre de lever ces interrogations, au moins partiellement. Les premières analyses suggèrent une mise en place tardive et graduelle [ 25 ], confirmant ainsi l’important décalage entre la présence de XIST et la répression du chromosome X lors de l’embryogenèse humaine.

Plusieurs hypothèses peuvent être proposées pour expliquer l’absence d’inactivation des chromosomes X en présence de XIST durant le développement précoce humain. L’une implique les effecteurs de XIST, dont on connait peu de choses chez l’homme, mais qui pourraient être absents, non fonctionnels ou incapables d’interagir avec XIST. Selon une hypothèse alternative, un mécanisme antagoniste empêcherait XIST d’inactiver les chromosomes X. En accord avec ce modèle, le nuage que forme XIST à ces stades paraît plus dispersé que dans les cellules somatiques présentant un chromosome Xi [ 23 ] ( Figure 2 ) . Ceci suggère que l’ARN XIST ne peut, à ce stade, interagir avec le chromosome X et/ou que celui-ci est réfractaire à l’action de XIST. XACT ( X active coating transcript) , un lARNnc également codé par le chromosome X, pourrait entrer en compétition avec XIST lors des premiers stades du développement. D’évolution récente puisque présent uniquement chez les hominoïdes ^1, , XACT est exprimé principalement dans les embryons préimplantatoires et dans les cellules souches embryonnaires humaines (CSEh) qui en dérivent [ 23 , 26 , 27 ] ( → ).

( → ) Voir la Dernière heure de C. Vallot et C. Rougeulle, m/s n° 2, février 2013, page 253

L’expression de XACT , qui débute de manière concomitante à celle de XIST après la fécondation, est régulée par les facteurs de pluripotence (SOX2 [ sex-determining region Y-box2 ], NANOG [ Nanog homebox ], OCT4 [ octamer-binding protein ]) [ 28 ]. Propriété la plus marquante, l’ARN XACT s’accumule simultanément à XIST au niveau des deux chromosomes X actifs (Xa) durant les premiers stades du développement [ 26 , 27 ]. Les molécules XIST et XACT occupent cependant des territoires bien distincts qui ne se chevauchent pas [ 23 ] ( Figure 2 ) . Dans une première étude fonctionnelle de XACT utilisant des cellules souches embryonnaires de souris qui modélisent la mise en place de l’inactivation lors de la différenciation, le locus XACT a été artificiellement intégré sur l’un des deux chromosomes X murins. Alors que l’inactivation du X est normalement aléatoire (touchant l’un ou l’autre des chromosomes X avec une égale probabilité), dans ces cellules transgéniques, la présence de XACT tend à empêcher l’accumulation de XIST sur le chromosome modifié et donc son inactivation [ 23 ]. Cette expérience renforce l’hypothèse selon laquelle XACT pourrait avoir un rôle antagoniste à XIST en affectant son accumulation et/ou sa fonction. Cette hypothèse nécessite désormais d’être testée dans un contexte plus physiologique.

L’état inactif du chromosome X, qui s’installe avant que l’embryon ne soit totalement formé, persiste tout au long de la vie intra-utérine et post-natale. C’est donc un état extrêmement stable qui, en théorie, est maintenu indépendamment du signal de départ, donc de la présence de l’ARN XIST [ 19 , 29 ]. Cependant, des données récentes conduisent à remettre en question ce principe et à s’interroger sur le rôle de XIST dans le maintien de l’inactivation, notamment dans le système hématopoïétique et dans certains cancers.

Par ailleurs, environ 20 % des gènes du X (5 % chez la souris) échappent à l’inactivation, soit de façon constitutive, dans l’ensemble des tissus, soit, de façon spécifique, dans certains types cellulaires [ 30 ]. L’impact de ce processus d’échappement n’est pas encore établi, mais il pourrait contribuer au dimorphisme sexuel [ 30 ].

Le lignage hématopoïétique est un système bien caractérisé dans lequel des cellules souches adultes assurent, par différentes voies de différenciation, la genèse de l’ensemble des cellules sanguines. Il joue un rôle essentiel, aussi bien dans le transport de l’oxygène que dans l’immunité et dans la distinction entre le soi et le non-soi. Mais une observation est intrigante : les femmes ont une réponse immunitaire accrue à certaines infections ² par rapport aux hommes. Elles sont aussi plus susceptibles de développer des maladies auto-immunes, suggérant un système immunitaire globalement plus réactif [ 31 ]. Le chromosome X est porteur de nombreux gènes aux fonctions cruciales dans la régulation des mécanismes immunitaires [ 31 ]. Le processus d’inactivation du X pourrait donc participer à ce dimorphisme sexuel immunitaire.

Le chromosome Xi présente en effet des caractéristiques particulières dans certaines cellules du lignage hématopoïétique qui suggèrent une dynamique de régulation de l’état inactif spécifique de ce lignage adulte ( Figure 3 ) [ 32 ]. Lors de la différenciation des lymphocytes B et T, l’ARN XIST se délocalise progressivement et transitoirement du Xi, tout en restant présent dans le noyau. Le paysage chromatinien du Xi est également modifié : la perte de XIST est associée à la disparition des marques chromatiniennes répressives H3K27me3 et H2AK119ub. Cependant, lorsque les lymphocytes sont activés, XIST recouvre à nouveau le Xi ( Figure 3 ) [ 32 ]. Ces changements n’entraînent pas de réactivation globale du Xi, mais certains gènes, notamment des gènes jouant un rôle dans l’immunité, sont ré-exprimés [ 32 ]. Le gène codant le récepteur Toll-like TLR7 ( Toll-like receptor 7 ), par exemple, échappe à l’ICX durant la différenciation des lymphocytes B. Il en est de même dans les macrophages et les cellules dendritiques qui l’expriment [ 32 - 34 ]. TLR7 est impliqué dans la détection d’ARN viral, et constitue l’un des facteurs clés du lupus érythémateux, une maladie auto-immune qui touche préférentiellement les femmes (80 % des cas). Ainsi, cette plasticité atypique de l’état inactif pourrait avoir des conséquences physiologiques à l’origine de dimorphismes sexuels.

Des anomalies du Xi ont été mises en évidence dans certains contextes cancéreux. Par exemple, la perte de l’expression de XIST et de marques d’hétérochromatine associées au Xi est observée dans le cancer du sein [ 35 ]. Une perte totale du Xi, souvent accompagnée d’une duplication du Xa, est également décrite dans de nombreux types de cancers (cancer du sein, des ovaires) [ 36 , 37 ]. De ces processus résulte une expression accrue de gènes liés à l’X [ 35 ], en particulier des facteurs de croissance ou des oncogènes, dont la surexpression pourrait mener à une croissance cellulaire anormale. Cependant, il n’existe actuellement aucune preuve d’un lien causal entre anomalie d’inactivation du X et tumorigenèse, notamment dans l’espèce humaine. Chez la souris, la délétion de XIST dans les cellules souches hématopoïétiques entraîne, chez les femelles uniquement, le développement d’hémopathies malignes très agressives et associées à une surexpression de certains gènes du chromosome X [ 38 ]. Dans ce contexte, XIST a donc un rôle de suppresseur de tumeur. Cependant, le statut d’inactivation du X n’ayant pas été étudié en détail dans ces souris mutantes, la question de l’action de XIST sur le maintien de l’état inactif du chromosome X reste ouverte.