Nat Cell?Biol?|?Xist直接調(diào)控X染色體失活逃逸

撰文|一只魚

在雌性哺乳動物中，一條X染色體的失活是實現(xiàn)兩性間基因劑量平衡的關(guān)鍵 ，該過程稱為 X染色體失活 （ XCI ）， 由非編碼RNA Xist 介導 ，該過程發(fā)生于 一個狹窄的 早期胚胎 發(fā)育時間窗口內(nèi)。盡管大多數(shù)X連鎖基因在X CI 期間被沉默 ，但有些 逃逸基因 能不同程度地逃逸失活，在兩條X染色體上均有表達。這些基因劑量的性別差異，被認為是許多性 別 二態(tài)性（包括疾病易感性）的重要根源 ， 然而調(diào)控逃逸的機制 仍不清楚 。

近日，來自 英國牛津大學的 Anna Katharina Simon 研究團隊 在 Nature Cell Biology 上 發(fā)表題為Escape from X inactivation is directly modulated by Xist noncoding RNA的 文章， 發(fā)現(xiàn) 無論是在體外的分化細胞中，還是在體內(nèi)的小鼠植入前及植入后胚胎中，提高內(nèi)源性Xist RNA的水平均能在早期胚胎發(fā)育階段之后持續(xù)有效地沉默這些逃逸基因。Xist RNA在消除跨逃逸基因簇的拓撲關(guān)聯(lián)域 （TAD） 樣結(jié)構(gòu)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，且這一過程依賴于SPEN蛋白。Xist在沉默逃逸基因和消除拓撲結(jié)構(gòu)域方面的功能最初是完全可逆的，但持續(xù)的Xist上調(diào)會導致逃逸基因發(fā)生不可逆的沉默以及其CpG島的DNA甲基化。因此，失活X染色體上的基因活性與三維拓撲結(jié)構(gòu)，在早期發(fā)育時間窗口之后仍直接受Xist調(diào)控 。

為 了研究 Xist RNA水平是否直接調(diào)控已完成X染色體失活的細胞中逃逸基因的表達， 研究人員 首先在21個克隆化的雌性神經(jīng)前體細胞（NPC）F 1 雜交 系中 檢測 了逃逸基因mRNA水平與Xist RNA水平的相關(guān)性 ， 發(fā)現(xiàn)二者呈顯著負相關(guān)，提示Xist RNA可能在調(diào)控失活X染色體上逃逸基因表達中發(fā)揮作用 。 為驗證Xist RNA對X染色體失活逃逸的直接作用， 他 們構(gòu)建了一個可在NPC中誘導失活X染色體上Xist RNA水平升高的系統(tǒng)。通過體外分化攜帶多西環(huán)素誘導型Xist基因的雌性小鼠胚胎干細胞，獲得克隆化NPC系 ， 篩選出X染色體失活的克隆 ，通過分析將逃逸基因分為三類： 組成型逃逸基因 、 兼性逃逸基因 和 NPC特異性逃逸基因 。 多西環(huán)素誘導Xist RNA水平升高 后發(fā)現(xiàn) 所有類別的逃逸基因表達水平均持續(xù)下降，證明 Xist RNA在分化細胞中 （ 遠超此前定義的早期發(fā)育時間窗口 ） 仍能啟動基因沉默 。 為 了 驗證Xist過表達是否也能在非分裂、有絲分裂后的細胞中誘導失活X染色體逃逸基因沉默， 他 們將NPC克隆分化為星形膠質(zhì)細胞 ，用 多西環(huán)素處理 有道 星形膠質(zhì)細胞中Xist表達上調(diào) 后發(fā)現(xiàn)仍然能夠 有效啟動基因沉默 ， 表明 Xist沉默逃逸基因的能力不僅限于多能、快速分裂的干細胞，也能發(fā)生在非分裂的終末分化細胞中 。

接下來， 他們研 究了在已完成X染色體失活的細胞中，Xist介導的沉默作用是否如早期發(fā)育階段一樣依賴于 SPEN 蛋白。 他們用兩個 Spen 等位基因均攜帶植物激素誘導型降解標簽（AID）結(jié)構(gòu)域，可在添加植物激素后迅速降解SPEN 的NPC克隆進行實驗， 在誘導Xist上調(diào)前先將SPEN蛋白清除 ， 發(fā)現(xiàn)在缺乏SPEN的情況下，提高Xist RNA水平無法實現(xiàn)逃逸基因的沉默 。因此， SPEN對于Xist在分化細胞中介導的幾乎全部逃逸基因沉默至關(guān)重要 。

逃逸基因在失活X染色體上并非隨機分布，而是聚集在稱為拓撲關(guān)聯(lián)域 （ TAD ） 的三維結(jié)構(gòu)中 ， 兼性逃逸基因簇在原本缺乏TAD的失活X染色體上以 TAD 樣結(jié)構(gòu)形式存在 ， 這種結(jié)構(gòu)是逃逸基因表達的原因還是結(jié)果尚不明確。 他 們研究了逃逸基因的TAD樣結(jié)構(gòu)是否會受Xist表達量升高的影響 ， 對NPC失活X染色體上先前觀察到的兩個TAD樣結(jié)構(gòu)域進行了等位基因特異性捕獲Hi-C分析 ，發(fā)現(xiàn) Xist上調(diào)不僅能沉默基因，還能“拆解”這些TAD樣結(jié)構(gòu)；而當Xist水平回落、基因重新激活時，TAD結(jié)構(gòu)也隨之重建 。 因此， 失活X染色體上逃逸基因簇的TAD樣結(jié)構(gòu)可能是持續(xù)轉(zhuǎn)錄活動的結(jié)果，而它們的沉默或Xist水平升高會導致這些結(jié)構(gòu)消失 。

接下來， 他 們 檢測 了Xist在NPC中介導的逃逸基因沉默是否不可逆，或嚴格依賴Xist持續(xù)存在 ，發(fā)現(xiàn) 多數(shù)兼性逃逸基因在短期Xist上調(diào)后被抑制，但去除Xist后可完全恢復表達。它們的三維結(jié)構(gòu)也隨之恢復，且不積累穩(wěn)定的DNA甲基化 。 當Xist持續(xù)高表達約兩周后，大部分逃逸基因的沉默變得不可逆 。此時，即便撤除Xist，這些基因也無法 被再激活 。其標志是啟動子區(qū)域獲得了穩(wěn)定的DNA高甲基化。 而 組成型逃逸基因 表 現(xiàn)出極強的抵抗性，即使經(jīng)歷長期的Xist壓力，也大多保持沉默可逆的狀態(tài)。

最后 為了 驗證 這一發(fā)現(xiàn)的生理意義， 他們 在植入前后的小鼠胚胎中進行體內(nèi)實驗。通過可誘導系統(tǒng)上調(diào)父源X染色體上的Xist，他們成功地增強了失活X染色體的整體沉默，并特異性地抑制了胚胎中的逃逸基因。

總的來說，這項研究揭示了X染色體失活逃逸的調(diào)控機制，Xist的表達水平或功能異常，可能是導致X連鎖疾病、某些自身免疫疾病（如系統(tǒng)性紅斑狼瘡）以及癌癥易感性的性別差異性的關(guān)鍵因素。未來通過干預Xist的活性來微調(diào)X連鎖基因的劑量，或許能為治療這些性別 差異 性疾病提供全新的治療策略 。

https://doi.org/10.1038/s41556-025-01823-6

制版人： 十一

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