雌性哺乳动物细胞中为何会有一条X染色体出现功能失活？

2020年2月24日 讯 /生物谷BIOON/ --雌性哺乳动物有两条X染色体，而雄性哺乳动物只有一条X染色体，因此有机体会进化出一种显著的解决方案，从而防止两性在基因表达之间出现严重失衡，即在每一个拥有两条X染色体的细胞中，一个完整的X染色体都会被沉默从而抑制RNA进行转录；这个过程被称为X染色体失活（XCI，X-chromosome inactivation），其在雌性胚胎发育的早期就已经开始了，一旦完成，X染色体失活就会在整个生命阶段保持稳定状态，因此，通过不断扩展，一个人的X染色体就可以在沉默状态下传播100多年。

图片来源：Dossin, F. et al. Nature 578, 455–460 (2020).

X染色体失活是有机体表观遗传过程的典范，表观遗传学修饰即时对DNA及相关蛋白质进行修饰来改变基因的表达，该过程曾被科学家们研究了数年；在过去25年里，研究人员重点对一种名为Xist的非编码RNA（lncRNA）进行研究，其能够调节XCI，然而研究人员并不清楚Xist沉默机制背后的分子机制；近日，Dossin等人在Nature杂志上刊文表示，他们进行了一系列实验揭示了Xist是如何通过与一种称之为SPEN的蛋白质联合来沉默基因的表达。

Xist只会在即将被失活的X染色体上进行表达，其能通过与其它一系列蛋白质进行结合，在几步扩散并沉默染色体上几乎每一个基因的表达；比如，Xist能利用多梳蛋白（Polycomb）复合体来维持失活X染色体上的基因沉默，多梳蛋白复合体能对将DNA压缩成为染色体的组蛋白进行修饰，尽管这一维持功能已经被充分证明，但Xist最初是如何抑制基因活性的仍然是一个谜，部分原因是因为Xist的大多数蛋白质伙伴都是未知的；2015年，研究人员进行了一系列研究揭示了参与XCI过程的一套全面的蛋白质，这些筛选性研究均认为SPEN能作为对XCI非常必要的一种Xist结合蛋白。

SPEN属于在进化上保守的RNA结合蛋白家族，该蛋白家族能够参与动物和植物体内的基因转录沉默及RNA加工过程，为了阐明SPEN在XCI过程中所扮演的关键角色，研究者Dossin等人首次利用名为生长诱导降解决定子（auxin-inducible degron）的生物性系统来快速降解小鼠胚胎干细胞中的SPEN，这与2019年研究者所报道的一致，研究者观察到，在缺失SPEN的情况下，Xist几乎完全不能使X染色体上的基因发生沉默。SPEN对于小鼠体内成功的XCI至关重要，同时SPEN也能被用来抑制沉默的X染色体上部分逃逸基因的表达。

通过观察活体细胞中荧光标记的分子，研究人员发现，当Xist开始在XCI开端进行表达时，SPEN就能被招募到X染色体中，SPEN在其氨基酸末端包含四种RNA结合蛋白（RRMs），在其羧基端包含一个进化保守的SPOC结构域；尽管RRMs 2-4需要与Xist结合，但SPOC结构域却是基因沉默的必要介导子，驱动Xist和SPOC结构域之间的相互作用或许就足以恢复缺失SPEN的细胞中的XCI。

有研究者认为，SPEN能通过募集或局部激活HDAC3酶来赋予Xist基因沉默的能力，HDAC3能从组蛋白中移除激活基因的乙酰基基团，但HDAC3仅在XCI早期阶段占到了基因沉默的一部分，为了找到SPEN可能引发沉默的其它机制，研究人员利用质谱技术鉴定了能与SPOC结构域相互作用的特殊蛋白质。

研究人员证实了此前的研究结果，他们发现，SPEN的SPOC结构域不仅能与HDAC3相互作用，而且还能与相关的共抑制蛋白NCOR1和NCOR2（也成为了SMRT）、核小体重塑和脱胰腺酶（NuRD）复合体发生相互作用，所有这些都是表观遗传沉默子；此外，研究者还观察到，SPOC结构域还能与用来进行转录和剪接的部分“机器”进行相互作用，包括RNA聚合酶II等；如今研究人员已经鉴别出了N6-甲基腺苷（m6A）甲基转移酶复合体组分之间的相互作用，其中一些与XCI过程直接相关；因此，SPEN及其相关蛋白或能像分子多重工具一样在多种遗传背景下沉默基因的表达，尽管SPEN的许多沉默功能都可能来自于其与已知的表观遗传沉默因子之间的相互作用，但其与转录和RNA加工机制之间的练习或许也为理解SPEN如何通过其它尚未确定的机制来沉默基因的表达留下了一定的可能性。

研究者Dossin等人采用了一种名为CUT&RUN的技术来对失活X染色体上SPEN的位置进行图谱绘制，当Xist开始表达后不久，SPEN就会与活跃基因启动子和增强子开始关联，但当转录被沉默后期就会从这些位点分离，这些研究发现表明，SPEN能作为系统的一部分，而该系统会在XCI开始时将沉默机器招募到转录活性的调节元件中。无论该机制是否需要经过染色质修饰，未来研究人员都需要解决RNA聚合酶II、活性转录RNA或其它因素的问题，另一个需要研究的问题就是，为何Xist不能被SPEN所沉默，因为在Xist基因上积累了大量的SPEN。

SPEN能结合到Xist RNA上称之为重复A（Repeat A）的区域上，后者是开启基因沉默所必须的，由于剔除SPEN基因在很大程度上能够反映剔除Repeat A的效应，所以SPEN似乎是大部分Repeat A沉默的原因。然而，Repeat A能够结合其它蛋白，包括正常情况下能促进剪接的蛋白质、RBM15和RBM15B等；确定这些蛋白如何与SPEN竞争或协同来启动基因的沉默至关重要，此外，Repeat A的剔除会明显降低Xsit RNA自身的水平，在某些情况下，SPEN的剔除会降低Xist的水平，但Repeat A如何产生Xist，以及其在与开启沉默能力相关的Xist的产生上扮演着什么样的角色，或许后期还需要研究人员进行深入研究才能够阐明。

很多年来，Xist能作为一个典范，即在调节基因表达的RNA中扮演着关键角色，值得注意的是，Xist是能够参与多梳蛋白介导的基因沉默的首个哺乳动物的RNAs，通过对这种RNA的研究，研究者Dossin等人或许就能揭开关于基因调节机制新的一面，即通过RNAs或蛋白质将SPEN短暂招募到调节元件中，这或许就能作为哺乳动物基因组中一种沉默基因转录的通用机制。（生物谷Bioon.com）

参考资料：

Jackson B. Trotman & J. Mauro Calabrese. How to silence an X chromosome, Nature 578, 365-366 (2020) doi:10.1038/d41586-020-00207-0