Nat Cell Biol | Xist直接调控X染色体失活逃逸

撰文|一只鱼

在雌性哺乳动物中，一条X染色体的失活是实现两性间基因剂量平衡的关键 ，该过程称为 X染色体失活 （ XCI ）， 由非编码RNA Xist 介导 ，该过程发生于 一个狭窄的 早期胚胎 发育时间窗口内。尽管大多数X连锁基因在X CI 期间被沉默 ，但有些 逃逸基因 能不同程度地逃逸失活，在两条X染色体上均有表达。这些基因剂量的性别差异，被认为是许多性 别 二态性（包括疾病易感性）的重要根源 ， 然而调控逃逸的机制 仍不清楚 。

近日，来自 英国牛津大学的 Anna Katharina Simon 研究团队 在 Nature Cell Biology 上 发表题为Escape from X inactivation is directly modulated by Xist noncoding RNA的 文章， 发现 无论是在体外的分化细胞中，还是在体内的小鼠植入前及植入后胚胎中，提高内源性Xist RNA的水平均能在早期胚胎发育阶段之后持续有效地沉默这些逃逸基因。Xist RNA在消除跨逃逸基因簇的拓扑关联域 （TAD） 样结构中发挥关键作用，且这一过程依赖于SPEN蛋白。Xist在沉默逃逸基因和消除拓扑结构域方面的功能最初是完全可逆的，但持续的Xist上调会导致逃逸基因发生不可逆的沉默以及其CpG岛的DNA甲基化。因此，失活X染色体上的基因活性与三维拓扑结构，在早期发育时间窗口之后仍直接受Xist调控 。

为 了研究 Xist RNA水平是否直接调控已完成X染色体失活的细胞中逃逸基因的表达， 研究人员 首先在21个克隆化的雌性神经前体细胞（NPC）F 1 杂交 系中 检测 了逃逸基因mRNA水平与Xist RNA水平的相关性 ， 发现二者呈显著负相关，提示Xist RNA可能在调控失活X染色体上逃逸基因表达中发挥作用 。 为验证Xist RNA对X染色体失活逃逸的直接作用， 他 们构建了一个可在NPC中诱导失活X染色体上Xist RNA水平升高的系统。通过体外分化携带多西环素诱导型Xist基因的雌性小鼠胚胎干细胞，获得克隆化NPC系 ， 筛选出X染色体失活的克隆 ，通过分析将逃逸基因分为三类： 组成型逃逸基因 、 兼性逃逸基因 和 NPC特异性逃逸基因 。 多西环素诱导Xist RNA水平升高 后发现 所有类别的逃逸基因表达水平均持续下降，证明 Xist RNA在分化细胞中 （ 远超此前定义的早期发育时间窗口 ） 仍能启动基因沉默 。 为 了 验证Xist过表达是否也能在非分裂、有丝分裂后的细胞中诱导失活X染色体逃逸基因沉默， 他 们将NPC克隆分化为星形胶质细胞 ，用 多西环素处理 有道 星形胶质细胞中Xist表达上调 后发现仍然能够 有效启动基因沉默 ， 表明 Xist沉默逃逸基因的能力不仅限于多能、快速分裂的干细胞，也能发生在非分裂的终末分化细胞中 。

接下来， 他们研 究了在已完成X染色体失活的细胞中，Xist介导的沉默作用是否如早期发育阶段一样依赖于 SPEN 蛋白。 他们用两个 Spen 等位基因均携带植物激素诱导型降解标签（AID）结构域，可在添加植物激素后迅速降解SPEN 的NPC克隆进行实验， 在诱导Xist上调前先将SPEN蛋白清除 ， 发现在缺乏SPEN的情况下，提高Xist RNA水平无法实现逃逸基因的沉默 。因此， SPEN对于Xist在分化细胞中介导的几乎全部逃逸基因沉默至关重要 。

逃逸基因在失活X染色体上并非随机分布，而是聚集在称为拓扑关联域 （ TAD ） 的三维结构中 ， 兼性逃逸基因簇在原本缺乏TAD的失活X染色体上以 TAD 样结构形式存在 ， 这种结构是逃逸基因表达的原因还是结果尚不明确。 他 们研究了逃逸基因的TAD样结构是否会受Xist表达量升高的影响 ， 对NPC失活X染色体上先前观察到的两个TAD样结构域进行了等位基因特异性捕获Hi-C分析 ，发现 Xist上调不仅能沉默基因，还能“拆解”这些TAD样结构；而当Xist水平回落、基因重新激活时，TAD结构也随之重建 。 因此， 失活X染色体上逃逸基因簇的TAD样结构可能是持续转录活动的结果，而它们的沉默或Xist水平升高会导致这些结构消失 。

接下来， 他 们 检测 了Xist在NPC中介导的逃逸基因沉默是否不可逆，或严格依赖Xist持续存在 ，发现 多数兼性逃逸基因在短期Xist上调后被抑制，但去除Xist后可完全恢复表达。它们的三维结构也随之恢复，且不积累稳定的DNA甲基化 。 当Xist持续高表达约两周后，大部分逃逸基因的沉默变得不可逆 。此时，即便撤除Xist，这些基因也无法 被再激活 。其标志是启动子区域获得了稳定的DNA高甲基化。 而 组成型逃逸基因 表 现出极强的抵抗性，即使经历长期的Xist压力，也大多保持沉默可逆的状态。

最后 为了 验证 这一发现的生理意义， 他们 在植入前后的小鼠胚胎中进行体内实验。通过可诱导系统上调父源X染色体上的Xist，他们成功地增强了失活X染色体的整体沉默，并特异性地抑制了胚胎中的逃逸基因。

总的来说，这项研究揭示了X染色体失活逃逸的调控机制，Xist的表达水平或功能异常，可能是导致X连锁疾病、某些自身免疫疾病（如系统性红斑狼疮）以及癌症易感性的性别差异性的关键因素。未来通过干预Xist的活性来微调X连锁基因的剂量，或许能为治疗这些性别 差异 性疾病提供全新的治疗策略 。

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

制版人： 十一

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