lncRNA MAYEX：爬行动物中第一个性染色体表达剂量补偿相关的lncRNA

来自墨西哥的研究团队发现雄性绿色安乐蜥蜴的X染色体上的基因过度表达，由一种lncRNA：MAYEX介导的，有助于进一步揭示动物间的性染色体剂量补偿的机制。

　　

性染色体的剂量补偿可以通过异配型基因的过表达或同源性基因的沉默来介导。这些过程通常由长链非编码RNA (lncRNAs)介导，然而它们很难研究，因为它们通常不会在物种之间广泛共享。来自墨西哥的研究团队检查了绿色安乐蜥（Anolis carolinensis），发现雄性蜥蜴的X染色体上的基因过度表达。这种基因表达模式似乎是由一种lncRNA：MAYEX介导的。这种lncRNA可能与其他蜥蜴物种共享，从而有助于我们理解动物间性染色体表达剂量补偿以及背后奇妙的基因表达调控机制。研究发表在新一期的《Science》上。

长链非编码rna (lncRNAs)是性染色体的重要调控元件，可平衡雄性和雌性之间的基因表达水平。在胎盘哺乳动物，有袋动物和果蝇中分别由XIST，RSX，roX2分别调控X染色体。因为绿色安乐蜥((Anolis carolinensis))显示出X染色体的完全剂量补偿，研究人员探究其中，发现了一个古老的lncRNA：MAYEX，在8900多万年前获得了雄性特有的表达。MAYEX进化出与乙酰化组蛋白4赖氨酸16 (H4K16ac)表观遗传标记的显著关联。MAYEX是爬行动物中第一个与平衡性染色体表达的剂量补偿机制相关的lncRNA。

在具有XX/XY性染色体的物种中——包括胎盘哺乳动物、有袋动物和果蝇，雌性携带两个X染色体副本，而雄性只有一个X染色体副本和一个退化的Y染色体副本。1967年，Susumu Ohno预测，具有两条X染色体的雌性不应该比仅有一条X染色体的男性有更多的转录活性基因，并提出可以沉默雌性中的一条X染色体以实现两性之间的剂量补偿。后来，雌性胎盘哺乳动物被证实遵循随机失活一个X染色体。有袋动物是一组与胎盘哺乳动物共享相同XY染色体的哺乳动物，在有袋动物中也发现了类似的X失活系统。相比之下，果蝇进化出了另一种策略，雄性的单个X染色体过度表达，以匹配雌性的两个X染色体的表达输出。

在这三个谱系中，长链非编码RNA (lncRNAs)在平衡雄性和雌性基因表达的机制中起着关键作用。在胎盘哺乳动物中，X染色体失活发生在雌性发育早期，由lncRNA XIST(X inactive specific transcript) 的激活引起。简单地说,XIST被KDM5C激活，被SPEN上调，然后顺式募集蛋白复合物，诱导组蛋白H3赖氨酸27三甲基化(H3K27me3)，组蛋白H2A赖氨酸119单泛素化(H2AK119ub)，随后染色质压缩（compaction）和表达失活。类似地，在有袋动物中，lncRNA RSX(RNA -on-the- silent X)顺式作用，触发X失活信号通路。该lncRNA被认为与Polycomb复合物和其他潜在的染色质修饰蛋白相互作用以沉默转录。而果蝇的lncRNA  roX2(RNA on the X)与雄性特异性致死(MSL)复合物结合，该复合物使组蛋白4上的赖氨酸16高乙酰化 (H4K16ac)，以增加雄性X染色体的转录输出。果蝇X染色体的调节发生在胚胎发育早期。

绿色的变色蜥蜴，安乐蜥，拥有1.5亿至1.7亿年历史的XX/XY系统，其中Y染色体高度退化，X染色体在雄性和雌性之间表达水平平衡。在这种蜥蜴中，剂量补偿机制通过增加H4K16乙酰化标记的水平来上调雄性X基因的表达。在这项研究中，作者深入研究了这种剂量补偿系统的复杂性。

研究亮点

1. 安乐蜥X染色体上两个相邻的性别特异性lncRNA：使用带注释的基因对RNA测序(RNA-seq)数据进行差异表达分析，并没有检测到X连锁基因在体细胞组织中表现出显著的性别特异性表达。然而，作者推测一些元件，如lncRNA基因，可能在参考基因组中注释不良。因此，他们将X染色体分成数千个50碱基对(bp)片段，并在雄性和雌性样本之间进行差异表达分析，在X染色体上发现了两个相邻的位点:一个具有强烈的雄性表达偏倚，另一个具有强烈的雌性表达偏倚。在GenBank蛋白质数据库中进行序列搜索没有发现显著的匹配，因此，这些基因可能代表lncRNA。

2. MAYEX、组蛋白乙酰化和其他激活转录的蛋白之间的相互作用：剂量补偿机制在整个X染色体序列上都是活跃的。利用染色质免疫沉淀测序(ChIP-seq)数据对H4K16ac表观遗传标记进行差异覆盖分析，检测到沿整个X染色体的雄性特异性超乙酰化。MAYEX在转录激活因子和结构蛋白的帮助下参与X染色体的激活。

3. MAYEX和邻近的重复序列组成染色体内调控结构域：为了深入了解X染色体的染色质结构和MAYEX的潜在调节作用，作者在雄性和雌性蜥蜴中进行了Hi-C实验。Hi-C数据分析显示，雄性和雌性常染色体在染色质拓扑结构上几乎没有差异；然而雄性的X染色体上比雌性X染色体有更多的拓扑相关结构域(TADs)和更高频率的接触（contacts）。靠近X染色体末端的特定区域显示出与染色体其余部分的多重远程相互作用——这个约30 kb的区域富集了长距离的Hi-C接触，从MAYEX位点开始，向下游延伸到基因间区域，雄性的远程接触频率高于雌性并且高于X上其他基因座的观察频率。从染色质相关RNA测序(ChAR-seq)实验获得的数据显示，MAYEX的转录形式与雄性X染色体上的多个远端DNA区域直接接触。MAYEX的启动子区域在雄性和雌性中具有不同的接触，这可能有助于调节MAYEX的差异表达。

4. MAYEX下调降低X染色体的表达水平：使用了两种CRISPR干扰(CRISPRi)方法，以及针对MAYEX基因组位点不同区域的三种sgRNAs，研究结果表明，dCas9-sgRNA复合物能有效干扰MAYEX的表达，浓度越高，沉默效果越强。与对照细胞相比，RNA-seq数据揭示了CRISPRi实验中X染色体的下调，在靠近MAYEX位点的地方有显著的影响，在更远的位点上减弱。试图通过RNA干扰(RNAi)减少MAYEX的表达，使用三种靶向MAYEX的RNA，但没有成功。

讨论

这项工作描述了一种以前未被表征的lncRNA (MAYEX)，调节安乐蜥X染色体的剂量补偿。哺乳动物、果蝇和蜥蜴之间的相似性表明，在进化过程中，lncRNA在遥远的群体中同时被招募，以建立全染色体顺式调控机制，控制整个性染色体的表达水平，并恢复雄性和雌性之间的平衡表达比例，构成了一个显著的趋同调控分子进化实例。未来的研究应该致力于改进爬行动物细胞培养技术，以促进更有效的研究成果，因为爬行动物细胞系统的复杂性和有限的可用性阻碍了发现和基因编辑的潜力。