X染色體失活的研究進展

梁文權 趙存友

在哺乳動物的發(fā)育過程中，性染色體決定了性別分化，雌性哺乳動物的兩條X染色體中的一條異常固縮而失去活性。1949年Barr在觀察雌貓的有絲分裂間期神經(jīng)細胞核中發(fā)現(xiàn)一條深染的小體，他把該小體命名為 “Barr Body”［1］，“Barr Body”后被證實為一條異常固縮無活性的X染色體。1961年Lyon提出了假說:雌性哺乳動物 (XX)細胞中僅有一條X染色體有轉錄活性，另一條異常固縮的X染色體失去活性;X染色體失活發(fā)生于胚胎早期;X染色體的失活隨機發(fā)生，可為父源遺傳失活，亦可為母源遺傳失活;失活的X染色體在細胞的有絲分裂過程中可穩(wěn)定傳遞［2］。近60年來研究者對X染色體的失活機制提出了許多學說，然而仍無法對該現(xiàn)象進行完美解釋。本文綜述了近60年來關于X染色體失活的多個重要學說，希望能對X染色體的失活機制有進一步的認識。

一、X染色體失活過程與早期胚胎發(fā)育

在小鼠胚胎發(fā)育過程中存在著染色體隨機失活的現(xiàn)象，在兩細胞階段小鼠胚胎細胞父源X染色體失活，在胚胎發(fā)育到受精后E3.5，囊胚內細胞團(inner cell mass，ICM)父源X染色體重新激活，使得內細胞團親本來源的兩條X染色體都具有生物活性，在囊胚著床的過程中，囊胚內細胞團分化為上、下胚層，上、下胚層的細胞會激活X染色體隨機失活的機制，然而胚外的細胞則一直維持父源X染色體失活［3］。胚外組織如絨毛組織的父源X染色體將保持失活狀態(tài)，而母源的X染色體具有活性，提示著床后，為避免母體的免疫攻擊，胚外組織僅保持母源X染色體的活性，然而此種現(xiàn)象只在小鼠中觀察到，并未在人群中證實［4］。

X染色體的沉默發(fā)生于雄性生殖細胞系精子形成過程的第一次減數(shù)分裂中，X和Y處于減數(shù)分裂性染色體失活 (meiotic sex chromosome inactivation，MSCI)并形成XY小體，父源X染色體上85%的基因在精子形成的減數(shù)分裂結束過程直至胚胎植入前是失去活性的，并可以在細胞卵裂形成桑椹胚過程中穩(wěn)定傳遞，而母源的X染色體通過母源印記保護而使其免于失活。在內胚層和滋養(yǎng)外胚層細胞中，始終維持父源X染色體的失活狀態(tài);而ICM和外胚葉 (epiblast)細胞中，父源X染色體重新活化，隨后在原腸胚 (gastrulation)和原生殖細胞(primordial germ cell，PGC)中發(fā)生父源和母源的X染色體隨機失活，并在形成胎兒后保持隨機失活［5－8］。雌性生殖細胞進入減數(shù)分裂時，失活的染色體被重新活化。這種選擇性失活是可以通過有絲分裂遺傳和穩(wěn)定存在的，導致女性個體不同程度的X染色體關聯(lián)基因的表達改變［9］。單親二體研究表明來自父源的單親二體胚胎發(fā)育異常，只有胎盤發(fā)育而無胎兒發(fā)育，母源的單親二體則滋養(yǎng)層細胞發(fā)育功能異常［10］。

二、Xist和Tsix在X染色體失活過程中的調控作用

X染色體失活中心 (X chromosome inactivation center，XIC)編碼的多個長非編碼RNA調控，包括Xist、Tsix等結合到XIC上，進而富集更多的染色體修飾相關復合物，促使異染色質構象的形成。也有研究表明Xist結合到XIC上并非X染色體遺傳印記所必須的，在小鼠早期胚胎中缺乏Xist的父源X染色體仍會在第一次卵裂時失活［11］。現(xiàn)有研究表明結合Xist啟動因子的H3K9me3的母源三甲基化可能在母源印記中扮演重要角色［12］。

XIC包含許多非編碼區(qū)域如Xist和其他已知的調控因子如:抑制因子Tsix和激活因子Rnf12［13］。Xist是X染色體失活的主要調控因子，Xist位于X染色體的XIC區(qū)域。Xist是一個長非編碼基因，僅在失活X染色體中表達，其轉錄產(chǎn)物為長非編碼RNA在X染色體上的覆蓋引發(fā)了相應X染色體的失活［14］。Xist lncRNA結合到失活染色體上是X染色體失活的關鍵一步，研究證明當Xist lncRNA結合到Xi(inactive X chromosome)上時該X染色體的轉錄活性明顯降低，X染色體異常固縮，而且H2A1.2的募集增加，然而研究表明這種Xi上H2A1.2的時序性的累積并非X染色體隨機失活和傳播所必須的［15］。在X染色體的活性轉變過程中H2A1.2的募集和組蛋白H4的低乙酰化卻是在Xist聚集在Xi上之后發(fā)生的，然而H3-K9的甲基化與Xist結合到Xi上幾乎平行發(fā)生［16］。值得注意的是Xist可能募集調節(jié)Xi H3-K9甲基化程度的酶。

遺傳學研究表明，反義基因Tsix是Xist的一個重要的抑制因子，參與調控X染色體的隨機失活［17］。Tsix RNA為長約1.6Kb的非編碼 RNA，其在XIC中的位置與Xist重疊但為反義方向轉錄。Tsix反義轉錄本跨過Xist啟動區(qū)是Tsix介導抑制Xist活性必需的［18］。盡管抑制的具體分子機制尚未完全明確，但被認為是參與了Xist啟動子區(qū)組蛋白修飾狀態(tài)的轉換和DNA甲基化酶 Dnmt3a的富集［19］。根據(jù)Ogawa 2008年提出的 Xist和 Tsix的表達模型，Xist和Tsix先轉錄出雙鏈 RNA，然后在Dicer酶的作用下編輯成有活性的片段。其研究發(fā)現(xiàn)在第一次卵裂時，Xist RNA的長度為30nt，比在有活性的X染色體中的轉錄本大，因此他們推測RNA抑制失活機制在X染色體失活中扮演重要角色［18］。此外，Tsix在X染色體計數(shù)過程中起了關鍵的作用，并觀察到Tsix缺失的XY胚胎干細胞 (embryonic stem cell，ESC)處于分化過程中的Xist顯著上調，而在未分化的XY ESC中也觀察到Tsix的缺失導致Xist基因的表達上調，表明還有其他機制參與了Xist的抑制過程［20］。最近的研究報道證實了轉錄因子Oct4、Nanog、Sox2等在X染色體失活過程的重要作用。這些抑制效應通過驅動Tsix的表達或通過抑制 Xist激活因子 Rnf12 來抑制 Xist［21］。

有研究表明在X染色體的配對和計數(shù)過程中，Oct4具有重要作用，Oct4通過結合Tsix和Xist調控這一進程［21］。同時也有研究表明，在多能干細胞中，Oct4結合在Xist基因上，通過染色質免疫沉淀法進一步研究發(fā)現(xiàn)，Oct4在多能干細胞系ES細胞中是緊密結合在Xist內含子1上，然而在分化過程中結合在Xist內含子1上的Oct4會逐漸減少，同時結合到Xist上的Tsix會增多，這也就意味著Tsix調控 Xist存在另一機制［22］。

有研究者利用巢式PCR和Sry基因作為性別鑒定基因發(fā)現(xiàn)，轉錄Sry基因的睪丸細胞以及雄性胚胎從受精卵發(fā)育至囊胚的過程中幾乎不轉錄Xist基因;不轉錄Sry的雌性卵母細胞和雌性胚胎從合子開始到發(fā)育至2細胞的過程中，Xist基因不轉錄，然而從4細胞期開始到囊胚期，雌性細胞始終保持Xist基因轉錄活性［23］。

三、X染色體失活與疾病

多項研究表明X染色體失活的程度與臨床疾病相關。研究表明X連鎖顯性遺傳Alport綜合征女性患者臨床表型的差異與不同組織X染色體失活方式有關，研究者發(fā)現(xiàn)隨著尿蛋白水平的增加，X連鎖Alport綜合征 (X－linked Alport syndrome，XLAS)女性患者外周血中COL4A5致病等位基因所在X染色體失活比例的平均值降低，二者呈負相關，X染色體的失活方式也許能解釋XLAS女性患者的臨床表型差異［24］。Menkes病是一種罕見的X連鎖隱性遺傳病，研究人員選取了一例臨床確診的Menkes病患兒，男性，通過DNA測序確認了ATP7A基因突變并通過親緣突變分析發(fā)現(xiàn)，該Menkes病患兒的母源X染色體可能為非隨機失活，母親可能優(yōu)先失活有突變的X染色體［25］。

研究發(fā)現(xiàn)在自然流產(chǎn)中存在著性別特異性流產(chǎn)，在早期流產(chǎn)中，女性胚胎多于男性［26］。研究人員發(fā)現(xiàn)若發(fā)生X染色體失活偏移，胚外組織絨毛細胞父源X染色體失活異常則可能導致自然流產(chǎn)，其機制可能與母體的自然免疫攻擊有關［4］。研究發(fā)現(xiàn)X染色體失活偏移多與X染色體連鎖疾病相關，如Rett綜合征作為一種X連鎖顯性遺傳病，其臨床癥狀主要表現(xiàn)為進行性神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育障礙，多發(fā)于女性，X染色體失活偏移，女性患者的臨床癥狀會減輕［27］。

四、小結

近年來，X染色體失活研究領域的熱點為失活逃逸，盡管在這方面的研究很多，然而卻缺乏有力的學說和機制解釋這一現(xiàn)象。有證據(jù)表明人類X染色體上約有15%的基因可逃逸失活，并且有10%的基因可發(fā)生異質性失活逃逸。另一研究熱點問題為Xist和Tsix的反饋調節(jié)機制，盡管2008年Ogawa提出了Xist和Tsix的轉錄抑制機制［19］，但這一機制無法完全解釋X染色體失活過程中Xist和Tisx表達圖譜的變化，因此Xist和Tsix的表觀遺傳調控機制仍將是研究的熱點，并且由于研究的進一步深入，更多的轉錄因子會被發(fā)現(xiàn)與Xist和Tsix的調控機制有關。

X染色體失活涉及基因印跡、lncRNA(Jpx)［28］和甲基化等，為研究表觀遺傳學的良好模型。有研究表明單等位基因水平的lncRNA自我增強的轉錄調控參與了X染色體失活的過程［28］。作為一個良好的表觀遺傳學的研究模型，X染色體失活能讓我們對許多的表觀遺傳水平的調控機制有更好的認識。X染色體有1000多個基因，占全基因組的5%，且許多遺傳性疾病相關基因位于X染色體，X染色體的失活對健康的影響深遠［29］。

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