Cell：高通量测序解析神秘X失活

来自北卡罗莱纳大学遗传学系Terry Magnuson实验室的研究人员完成了一项最新研究成果，拓宽了我们对于一个特殊的过程：X去活性（X inactivation）的理解，有助于更深入的了解细胞如何调控这一过程中的X染色体沉默。相关成果公布在11月21日的Cell杂志上。

　　

生物通报道：来自北卡罗莱纳大学遗传学系Terry Magnuson实验室的研究人员完成了一项最新研究成果，拓宽了我们对于一个特殊的过程：X去活性（X inactivation）的理解，有助于更深入了解细胞如何调控这一过程中的X染色体沉默。相关成果公布在11月21日的Cell杂志上。

文章的第一作者是Magnuson实验室的博士后研究员Mauro Calabrese，他表示，“这是一个典型案例——通过X去活性方面的基础研究，提出了一种旗舰模型，能用于了解非编码RNAs如何能精密操控基因表达大型调控的。简而言之，就是尝试了解细胞如何调节基因表达的。我们的这一研究结果意义广泛，能通过了解正常细胞如何行使功能，从而深入探索疾病机理和治疗方法”。

X去活性（X inactivation）也就是X染色体失活，是指一般女性虽然都有两条X染色体，但事实上有一条会惰性化，变成巴尔体（Barr body），这个过程由Mary F. Lyon发现，因此也被称为里昂化作用。

“男性染色体为XY，女性的则有两个X，其中一个会被关闭。如果没有关闭，就无法存活。这就是我们进化过程中达到男性和女性平衡的一种方式，”Calabrese说。

虽然过去五十年来，科学家们一直针对这种X染色体失活的情况进行研究，但是其中精确的调控机制依然是一个迷，而Calabrese等人采用了一种高通量测序的方法，解析了这一过程，以前所未有的精度确定了这种作用的位置和活性。

“基本上可以说，这项研究是将测序技术当成了一种高分辨率显微技术，”Calabrese说。

在显微镜下，可以看到失活的X染色体（Xi）呈云状结构，因为它被一种称为Xist的非编码RNA笼罩着。而在传统的X去活性模型中，被笼罩的基因是完全沉默的，其中15％的基因会逃逸出来，变得活跃。

“当时认为这些逃逸除了的基因是被拉出了中心区域，进行表达的”Calabrese说。

而最新这项研究提出了一种新模型，这一模型更加复杂精确，研究人员发现了Xist云状结构中存在活性基因，而云状结构外也有失活基因，这两者在之前的模型中都未被包括进去。

“这很微妙，但从机制上来说，是一个很大的区别，”Calabrese说。

在Xist云状结构中，研究人员通过测序发现了微量的DNase I敏感性（DNase I sensitivity），这是一种常与转录活性联系在一起的特征，虽然缺少与转录相关的其它标志，但是这一特征的存在表明细胞核确实将失活X染色体当成了可用的DNA，但有一种未知的机制，抑制了基因被激活。

“这令我们惊讶，如果这些基因是完全沉默的，这就不会发生……这表明，转录因子或DNA结合的其它蛋白仍然能接触到这些失活X染色体，”Calabrese说。

还有一些令人惊讶的发现，比如研究人员发现这15％“逃逸”出来的基因，即存在于Xist云状结构中，也存在于结构外，而Xist结构外也有沉默的基因。

“如果说X染色体失活是一个严密的核屏障，那么从这个屏障中被拉出来的基因就应该能被激活，但是却没有，”Calabrese说。Xist结构中出现了DNAase I敏感性，以及结构外发现了失活基因，都表明染色体上基因调控的作用方式，比仅仅只是开关这种模式要复杂得多，目前具体的机制还不清楚。不过Calabrese认为Xist基因在其中扮演了重要角色，其确切的功能，以及是否有其他因素影响了X染色体失活，还有待研究。

“我们只知道对于关键失活X来说，Xist基因是必需的，但是如何进行的，我们并不知道，”Calabrese说。

除了还需深入探索X-染色体失活的作用机理，研究人员表示，还需要分析Xist云状结构的功能，从而揭示更多关于非编码RNAs在细胞发育过程中的其它作用，这些RNA今后也许能作为治疗和药物研发的靶标。

“非编码RNA的表达出现太多错误，可能导致癌症。而有些非编码RNA的表达则可以预防癌症。其实我们还并不了解这些RNA，”Calabrese说。

（生物通：张迪）

原文摘要：

Site-Specific Silencing of Regulatory Elements as a Mechanism of X Inactivation

The inactive X chromosomes (Xi) physical territory is microscopically devoid of transcriptional hallmarks and enriched in silencing-associated modifications. How these microscopic signatures relate to specific Xi sequences is unknown. Therefore, we profiled Xi gene expression and chromatin states at high resolution via allele-specific sequencing in mouse trophoblast stem cells. Most notably, X-inactivated transcription start sites harbored distinct epigenetic signatures relative to surrounding Xi DNA. These sites displayed H3-lysine27-trimethylation enrichment and DNaseI hypersensitivity, similar to autosomal Polycomb targets, yet excluded Pol II and other transcriptional hallmarks, similar to nontranscribed genes. CTCF bound X-inactivated and escaping genes, irrespective of measured chromatin boundaries. Escape from X inactivation occurred within, and X inactivation was maintained exterior to, the area encompassed by Xist in cells subject to imprinted and random X inactivation. The data support a model whereby inactivation of specific regulatory elements, rather than a simple chromosome-wide separation from transcription machinery, governs gene silencing over the Xi.