梁文權(quán) 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(xì)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(shí)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(xì)胞中僅有一條X染色體有轉(zhuǎn)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(jī)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(xì)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(jī)制提出了許多學(xué)說，然而仍無法對該現(xiàn)象進(jìn)行完美解釋。本文綜述了近60年來關(guān)于X染色體失活的多個(gè)重要學(xué)說，希望能對X染色體的失活機(jī)制有進(jìn)一步的認(rèn)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(jī)失活的現(xiàn)象，在兩細(xì)胞階段小鼠胚胎細(xì)胞父源X染色體失活，在胚胎發(fā)育到受精后E3.5，囊胚內(nèi)細(xì)胞團(tuán)(inner cell mass，ICM)父源X染色體重新激活，使得內(nèi)細(xì)胞團(tuán)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(nèi)細(xì)胞團(tuán)分化為上、下胚層，上、下胚層的細(xì)胞會激活X染色體隨機(jī)失活的機(jī)制，然而胚外的細(xì)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(shí)［4］。

X染色體的沉默發(fā)生于雄性生殖細(xì)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(jié)束過程直至胚胎植入前是失去活性的，并可以在細(xì)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(hù)而使其免于失活。在內(nèi)胚層和滋養(yǎng)外胚層細(xì)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(xì)胞中，父源X染色體重新活化，隨后在原腸胚 (gastrulation)和原生殖細(xì)胞(primordial germ cell，PGC)中發(fā)生父源和母源的X染色體隨機(jī)失活，并在形成胎兒后保持隨機(jī)失活［5－8］。雌性生殖細(xì)胞進(jìn)入減數(shù)分裂時(shí)，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(dǎo)致女性個(gè)體不同程度的X染色體關(guān)聯(lián)基因的表達(dá)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(xì)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(diào)控作用

X染色體失活中心 (X chromosome inactivation center，XIC)編碼的多個(gè)長非編碼RNA調(diào)控，包括Xist、Tsix等結(jié)合到XIC上，進(jìn)而富集更多的染色體修飾相關(guān)復(fù)合物，促使異染色質(zhì)構(gòu)象的形成。也有研究表明Xist結(jié)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(shí)失活［11］?，F(xiàn)有研究表明結(jié)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(diào)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(diào)控因子，Xist位于X染色體的XIC區(qū)域。Xist是一個(gè)長非編碼基因，僅在失活X染色體中表達(dá)，其轉(zhuǎn)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(yīng)X染色體的失活［14］。Xist lncRNA結(jié)合到失活染色體上是X染色體失活的關(guān)鍵一步，研究證明當(dāng)Xist lncRNA結(jié)合到Xi(inactive X chromosome)上時(shí)該X染色體的轉(zhuǎn)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(shí)序性的累積并非X染色體隨機(jī)失活和傳播所必須的［15］。在X染色體的活性轉(zhuǎn)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(jié)合到Xi上幾乎平行發(fā)生［16］。值得注意的是Xist可能募集調(diào)節(jié)Xi H3-K9甲基化程度的酶。

遺傳學(xué)研究表明，反義基因Tsix是Xist的一個(gè)重要的抑制因子，參與調(diào)控X染色體的隨機(jī)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(zhuǎn)錄。Tsix反義轉(zhuǎn)錄本跨過Xist啟動區(qū)是Tsix介導(dǎo)抑制Xist活性必需的［18］。盡管抑制的具體分子機(jī)制尚未完全明確，但被認(rèn)為是參與了Xist啟動子區(qū)組蛋白修飾狀態(tài)的轉(zhuǎn)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(dá)模型，Xist和Tsix先轉(zhuǎn)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(shí)，Xist RNA的長度為30nt，比在有活性的X染色體中的轉(zhuǎn)錄本大，因此他們推測RNA抑制失活機(jī)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(jì)數(shù)過程中起了關(guān)鍵的作用，并觀察到Tsix缺失的XY胚胎干細(xì)胞 (embryonic stem cell，ESC)處于分化過程中的Xist顯著上調(diào)，而在未分化的XY ESC中也觀察到Tsix的缺失導(dǎo)致Xist基因的表達(dá)上調(diào)，表明還有其他機(jī)制參與了Xist的抑制過程［20］。最近的研究報(bào)道證實(shí)了轉(zhuǎn)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(yīng)通過驅(qū)動Tsix的表達(dá)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(jì)數(shù)過程中，Oct4具有重要作用，Oct4通過結(jié)合Tsix和Xist調(diào)控這一進(jìn)程［21］。同時(shí)也有研究表明，在多能干細(xì)胞中，Oct4結(jié)合在Xist基因上，通過染色質(zhì)免疫沉淀法進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，Oct4在多能干細(xì)胞系ES細(xì)胞中是緊密結(jié)合在Xist內(nèi)含子1上，然而在分化過程中結(jié)合在Xist內(nèi)含子1上的Oct4會逐漸減少，同時(shí)結(jié)合到Xist上的Tsix會增多，這也就意味著Tsix調(diào)控 Xist存在另一機(jī)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(zhuǎn)錄Sry基因的睪丸細(xì)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(zhuǎn)錄Xist基因;不轉(zhuǎn)錄Sry的雌性卵母細(xì)胞和雌性胚胎從合子開始到發(fā)育至2細(xì)胞的過程中，Xist基因不轉(zhuǎn)錄，然而從4細(xì)胞期開始到囊胚期，雌性細(xì)胞始終保持Xist基因轉(zhuǎn)錄活性［23］。

三、X染色體失活與疾病

多項(xiàng)研究表明X染色體失活的程度與臨床疾病相關(guān)。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(guān)，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(fù)相關(guān)，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(rèn)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(jī)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(xì)胞父源X染色體失活異常則可能導(dǎo)致自然流產(chǎn)，其機(jī)制可能與母體的自然免疫攻擊有關(guān)［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(guān)，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(jìn)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(jié)

近年來，X染色體失活研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)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(xué)說和機(jī)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(zhì)性失活逃逸。另一研究熱點(diǎn)問題為Xist和Tsix的反饋調(diào)節(jié)機(jī)制，盡管2008年Ogawa提出了Xist和Tsix的轉(zhuǎn)錄抑制機(jī)制［19］，但這一機(jī)制無法完全解釋X染色體失活過程中Xist和Tisx表達(dá)圖譜的變化，因此Xist和Tsix的表觀遺傳調(diào)控機(jī)制仍將是研究的熱點(diǎn)，并且由于研究的進(jìn)一步深入，更多的轉(zhuǎn)錄因子會被發(fā)現(xiàn)與Xist和Tsix的調(diào)控機(jī)制有關(guān)。

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(xué)的良好模型。有研究表明單等位基因水平的lncRNA自我增強(qiáng)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控參與了X染色體失活的過程［28］。作為一個(gè)良好的表觀遺傳學(xué)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(diào)控機(jī)制有更好的認(rèn)識。X染色體有1000多個(gè)基因，占全基因組的5%，且許多遺傳性疾病相關(guān)基因位于X染色體，X染色體的失活對健康的影響深遠(yuǎn)［29］。

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