陸 綺

美國(guó)韋恩州立大學(xué)醫(yī)學(xué)院，底特律，密歇根 48201

X染色體失活現(xiàn)象與機(jī)制

陸 綺?

美國(guó)韋恩州立大學(xué)醫(yī)學(xué)院，底特律，密歇根 48201

在雌性哺乳動(dòng)物的體細(xì)胞中，兩條X染色體中的一條總是被異染色質(zhì)化而失活，這個(gè)現(xiàn)象稱為X染色體失活。X染色體失活保證了性染色體上的基因劑量在雌性和雄性動(dòng)物之間的平衡。它是許多生物學(xué)現(xiàn)象和疾病的生物學(xué)基礎(chǔ)。本文簡(jiǎn)要介紹了X染色體失活的現(xiàn)象，基本生物學(xué)概念以及潛在機(jī)理，最后介紹了與之相關(guān)的疾病，例如X染色體數(shù)量異常和伴性遺傳疾病的病理知識(shí)。

X染色體失活；長(zhǎng)非編碼RNA；Xist；伴性遺傳

養(yǎng)著小寵物的朋友有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，自己養(yǎng)的小兔子、小倉(cāng)鼠或者是小花貓，毛色常常有好幾種顏色，各種毛色的花斑隨機(jī)分布。而且，就好像人類社會(huì)中男性常著黑白灰的素色，而女性常常衣著五彩斑斕一般，這些花斑色的小動(dòng)物的性別一般是雌性。這個(gè)有趣的生物學(xué)現(xiàn)象背后的機(jī)制是表觀遺傳學(xué)中一種特殊的現(xiàn)象：X染色體失活(X-Choromosome inactivation，XCI)。

X染色體失活最直觀的表現(xiàn)可以用三色貓(calico cat)來(lái)說(shuō)明。母貓身上有可能會(huì)是花花的，既有棕色又有黃色，而公貓只有一種顏色，棕色或者黃色。決定毛色的基因只存在于X染色體上，一條X染色體只能攜帶一種顏色的信息。黃色和棕色是一對(duì)等位基因，也就是說(shuō)，一條X染色體上帶的要么是黃色毛基因要么是棕色毛基因。一般貓的腹部都是白色的，白色是白化基因起的作用，讓貓本來(lái)的顏色不能顯示出來(lái)。這種白化基因并不存在于性染色體上，因而不受X染色體失活的影響。

對(duì)于只有一條X染色體的公貓，它的毛色要么是黃白要么是棕白。對(duì)于雖然有兩條X染色體，但是毛色基因一致的雌貓，毛色也是黃白或者棕白。只有雜合體的雌貓，擁有兩條X染色體，但是一條上面帶的是黃色毛基因，另一條上面則是棕色毛基因。在胚胎發(fā)育的早期，已經(jīng)形成了多細(xì)胞的階段，兩條X染色體要失活一條，失活的X染色體濃縮成染色較深的染色質(zhì)體。有些細(xì)胞保留黃色毛基因所在的X染色體的活性，而有些細(xì)胞保留棕色毛基因所在的X染色體的活性。而且，這些細(xì)胞再分裂出來(lái)的子代細(xì)胞，都保持一樣的失活程序。最后出生的小貓，身上的花斑就是這里一塊是黃色那里一塊是棕色，這是因?yàn)橥簧陌邏K實(shí)際上都來(lái)自于同一個(gè)前體細(xì)胞，并保留相同的X染色體失活的選擇(圖1)。

1 X染色體失活到底是什么情況

在哺乳動(dòng)物中，無(wú)論雄性還是雌性，體細(xì)胞中只有一條有活性的X染色體。在雌性體細(xì)胞內(nèi)，雖然有兩條X性染色體，但是為了保證X染色體上的基因表達(dá)劑量在一個(gè)合適的范圍內(nèi)，在胚胎發(fā)育到原腸胚的時(shí)期，體細(xì)胞中兩條X染色體中的一條隨機(jī)失活，這就是X染色體失活。而且，一旦這個(gè)細(xì)胞啟動(dòng)了對(duì)某一條X染色體的失活進(jìn)程，那么這個(gè)細(xì)胞的子代細(xì)胞都會(huì)保持對(duì)同樣的一條X染色體的失活。

圖1 三色貓背后的遺傳學(xué)原理。雌性的性染色體是XX，標(biāo)上顏色，即XX、XX、XX。雄性的性染色體是XY，標(biāo)個(gè)顏色，即XY或XY。對(duì)于基因型為XX、XX的雌性，以及基因型為XY或XY的雄性，顯性基因起作用，再加上白色，身上有兩種毛色。對(duì)于基因型為XX的雌性子代，其體細(xì)胞中X染色體構(gòu)成為雜合子(XX)。由于在體細(xì)胞內(nèi)，這兩個(gè)X性染色體有一個(gè)是失活的，這一個(gè)高度折疊濃縮，成為不表達(dá)蛋白的異染色體，那么體細(xì)胞中，雌性子代有些體細(xì)胞表達(dá)X-而有些體細(xì)胞表達(dá)-X，所以實(shí)際上，雌性子代是一個(gè)嵌合體(mosaic)。組織中的蛋白表達(dá)譜是有差異的，這一塊組織表達(dá)X-，另外一塊組織表達(dá)-X，再加上白色，出現(xiàn)黃、棕、白三色。在體細(xì)胞中，來(lái)自父本和母本的X染色體失活的機(jī)率應(yīng)當(dāng)是一樣的。因此從概率上來(lái)說(shuō)，三色貓身體上的不同顏色的花斑皮膚面積應(yīng)當(dāng)是大致相同的(圖片來(lái)源：https://s-media-cacheak0.pinimg.com/originals/46/ba/5b/46ba5b3a8b41647d656eda59efc9c5ad.jpg)

為什么活性染色體的個(gè)數(shù)不能太多呢？唐氏綜合征是一個(gè)極好的例子。唐氏綜合征(Down’s syndrome)是一類遺傳性疾病。這個(gè)病因的命名源自英國(guó)醫(yī)生約翰?朗頓?唐(John Langdon Down)。它的病因其中之一是第21對(duì)染色體的三體現(xiàn)象，正常人有一對(duì)，而唐氏綜合征患者有3條第21對(duì)染色體。多一條染色體可不是什么好事，唐氏綜合征患者有學(xué)習(xí)障礙、智力障礙等情況。

劑量補(bǔ)償效應(yīng)是X染色體失活現(xiàn)象必然性的一個(gè)最為流行的假說(shuō)，也得到了很多科學(xué)實(shí)驗(yàn)的支持。劑量補(bǔ)償效應(yīng)認(rèn)為：X染色體上有相當(dāng)多的參與生理代謝等重要功能的基因，這些基因的表達(dá)產(chǎn)物與其他常染色體上基因的表達(dá)產(chǎn)物一起協(xié)同工作。X染色體失活可以看作是維持X染色體上基因表達(dá)在雌性和雄性之間的平衡。事實(shí)上，常染色體上的等位基因也常常有一條是失活的，這是通過(guò)基因組印記(genomic imprinting)的方式，而性染色體上是X染色體失活。1932年繆勒(H. J. Muller)首先報(bào)道，在果蠅中，雄性果蠅的X染色體轉(zhuǎn)錄效率要比雌性的高，而轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物最終濃度在兩種性別差不多[1]。1961年瑪麗?萊昂(Mary Lyon)在哺乳動(dòng)物上發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象，并且提出了X染色體失活的概念，即在雌性動(dòng)物體細(xì)胞中只有一條X染色體是有活性的，而另外一條X染色體失活成為巴氏小體(Barr body)的觀點(diǎn)[2]。

2 專門研究X染色體失活的簡(jiǎn)妮?李

那么X染色體失活的機(jī)制又是什么呢？怎樣保證有且只有一條X染色體失活呢？這就要談到簡(jiǎn)妮?李(Jeannie T. Lee)的研究工作了。簡(jiǎn)妮?李是一位來(lái)自韓國(guó)的女科學(xué)家，她的工作一直聚焦于長(zhǎng)非編碼RNA的功能和X染色體失活的機(jī)制，博士工作是研究脆性X染色體綜合征(fragile X syndrome)。當(dāng)她在一場(chǎng)報(bào)告中聽到Hunt Willard實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了一種長(zhǎng)RNA是表達(dá)于失活X染色體上，并有包裹本條X染色體的作用時(shí)，簡(jiǎn)妮?李敏銳地意識(shí)到這可能是X染色體失活的機(jī)制。這之后，簡(jiǎn)妮?李成功地證明了這一點(diǎn)[3]。簡(jiǎn)妮?李發(fā)現(xiàn)了X染色體失活中心XIC(X inactivation center)。XIC這段DNA序列在同一條X染色體上是一個(gè)順式作用因子。XIC位點(diǎn)有一個(gè)基因名為Xist，Xist的表達(dá)產(chǎn)物為XIST RNA，長(zhǎng)度為15 kb～17 kb，而且并不進(jìn)一步翻譯為蛋白質(zhì)[4]，Xist作為一個(gè)長(zhǎng)非編碼RNA是X染色體失活的分子基礎(chǔ)。Tsix基因?yàn)閄ist的反義基因，TSIX RNA為XIST RNA的反義RNA，對(duì)XIST RNA起負(fù)調(diào)控作用。

圖2 X染色體失活的過(guò)程[6]。穩(wěn)定地轉(zhuǎn)染沉默的失活的X染色體(Xi)通過(guò)一系列步驟實(shí)現(xiàn)。 (a)首先，稱為X染色體失活中心(XIC)的X染色體上的基因是“計(jì)數(shù)”的，必須存在至少兩個(gè)拷貝的XIC，失活才能發(fā)生。計(jì)數(shù)過(guò)程確保只有一條X染色體在二倍體細(xì)胞中保持活性。 (b)兩條X染色體轉(zhuǎn)錄XIST RNA，這是X染色體失活所必需的。通過(guò)TSIX RNA的不對(duì)稱表達(dá)來(lái)確定哪條X染色體失活。DNA互補(bǔ)鏈需要TSIX的轉(zhuǎn)錄，與XIST RNA結(jié)合只存在于未來(lái)的活性X染色體(Xa)中。相反，在未來(lái)的Xi染色體中，TSIX RNA的轉(zhuǎn)錄被抑制，XIST RNA積累。(c)X染色體失活的啟動(dòng)由XIST RNA在未來(lái)Xi上的穩(wěn)定化介導(dǎo)，而不穩(wěn)定的XIST RNA降解后，Xa染色體上的等位基因隨后開始轉(zhuǎn)錄。 (d)穩(wěn)定的XIST RNA在染色體上擴(kuò)散表達(dá)。 (e)XIST RNA為促進(jìn)的組蛋白修飾序列提供了結(jié)合位點(diǎn)，幫助異染色質(zhì)形成，最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄沉默和確保X染色體失活的維持

XIST RNA偏好與轉(zhuǎn)錄了自己的那條X染色體結(jié)合，一步步地包裹整個(gè)染色體，最終導(dǎo)致該染色體失活[5](圖2)。也就是說(shuō)，表達(dá)了XIST的那條X染色體會(huì)失活。XIST RNA包裹染色體的能力是自發(fā)的，將XIST RNA序列插入到常染色體上，RNA產(chǎn)物也會(huì)包裹一定長(zhǎng)度的染色體，但是不能像在X染色體上那么成功，能夠包裹到末端。也許是X染色體上會(huì)富集一些特殊的非編碼序列，從而協(xié)助了XIST RNA的結(jié)合和包裹。也有研究認(rèn)為，AT富集的區(qū)域也有助于XIST RNA的包裹。XIST RNA在包裹了染色體之后，會(huì)吸引和富集已知有大約100種蛋白到X染色體上，并進(jìn)一步穩(wěn)定和維持X染色體失活。這種對(duì)特定染色體失活的保證還有可能是通過(guò)DNA甲基化進(jìn)行的。DNA甲基化是重要的表觀遺傳基因修飾，參與了許多表觀遺傳活動(dòng)。同樣，在失活的X染色體上，很多區(qū)域的DNA被甲基化。

3 與X染色體異常有關(guān)的疾病有哪些呢

3.1 為什么有些隱性遺傳病患者明明基因型是雜合子卻發(fā)病了呢

事實(shí)上，長(zhǎng)長(zhǎng)的X染色體上有大約1 000種功能基因，它們中的很多都是參與了重要生理功能的基因。因此，將失活的X染色體重新激活，是一種非常有前景的治療伴性遺傳疾病的思路。如果致病基因在性染色體上，就是伴性遺傳疾病。對(duì)于男性個(gè)體來(lái)說(shuō)，其性染色體上的基因座位都是半合子，由此導(dǎo)致其座位上基因的顯隱性與常染色體上顯隱性的表現(xiàn)形式的差異。也就是說(shuō)，如果X染色體上帶有隱形致病基因，在女性身上可能就不發(fā)病，但是對(duì)于男性來(lái)說(shuō)就可致病。血友病、紅綠色盲都是伴性遺傳疾病，甚至有些癌癥的病因也和X染色體失活失調(diào)有關(guān)。Xist RNA 在X染色體上的不同區(qū)域富集了不同種類的蛋白，如果針對(duì)某個(gè)特定基因周圍的特定抑制蛋白，將抑制作用移除，則可以使該區(qū)域的基因表達(dá)，從而治療由于等位基因病變導(dǎo)致的伴性遺傳疾病。

血友病的發(fā)生是由于血液中缺乏凝血因子。因?yàn)槟蜃拥幕蚓幋a在X染色體上，所以這是一種伴性遺傳的疾病。一般來(lái)說(shuō)，基因型為雜合子的女性不會(huì)發(fā)病，因?yàn)檠巡∈请[性遺傳的疾病。但是，在部分重型血友病女性患者中，由于合成凝血因子的組織是肝臟，如果在肝臟組織中，剛好攜帶正常凝血因子編碼基因的X染色體不巧被失活了，那么就會(huì)發(fā)生雜合子基因型的女性血友病患者。

此外，如果來(lái)源于父母一方的基因拷貝是沒有活性的，那么表達(dá)這個(gè)功能蛋白的器官，在女孩子身上是個(gè)雜合體，有些細(xì)胞有這個(gè)活性功能蛋白，有些細(xì)胞沒有。如果本體移植一些有活性的細(xì)胞到非活性區(qū)域，是否可以擴(kuò)大有活性的組織量，以及是不是可以在量化上提高這個(gè)器官的功能總量呢？而如果是男性，就沒有這個(gè)備份了。如果不巧功能蛋白編碼是在X染色體上，就只能異體移植。

3.2 X染色體數(shù)量異常會(huì)引發(fā)異常發(fā)育么

X染色體數(shù)量異常有好幾種表現(xiàn)形式。例如染色體組型為XXY的克氏綜合征(Klinefelter's syndrome)，染色體組型為XXX的X三體(XXX)和染色體組型為XO的特納氏綜合征(Turner syndrome，簡(jiǎn)稱TS)。這幾種病癥都是由于遺傳物質(zhì)X染色體的異常而都表現(xiàn)為發(fā)育異常的例子。

克氏綜合征患者的性染色體組型為XXY，主要特征為不育。有些患者外生殖器偏小，出現(xiàn)乳房發(fā)育。這些癥狀通常在青春期時(shí)顯現(xiàn)。智力發(fā)展與一般人無(wú)異，但有些患者語(yǔ)言功能有困難。如果X染色體數(shù)量更多，則病癥更明顯。

X三體病是一種女性的性染色體遺傳病?；颊弑纫话闳硕嗔艘粭lX性染色體。與XXY患者不同的是，X三體的患者外觀正常，能正常發(fā)育成熟，并有生育能力。

特納氏綜合征也被稱作Ullrich-Turner氏癥候群(Ullrich-Turner syndronme)，是X染色體部分或完全缺失而引發(fā)的疾病[7]。特納氏綜合征的性染色體組成為XO。在很多組織中，實(shí)際上特納氏綜合征患者是嵌合體，即有些部分是正常的，而有些部分是因?yàn)橥耆珱]有X性染色體而異常。特納氏綜合征患者的身體發(fā)育有明顯的異常。例如：短粗的頸部，頸后發(fā)際線較低，身材矮小和出生時(shí)手腳水腫。特納氏綜合征患者沒有月經(jīng)、乳房不發(fā)育而且不孕，且患有先天性心臟病、糖尿病以及甲狀腺功能低下的風(fēng)險(xiǎn)率較高。大部分患者智力水平正常，但是空間想象能力較差，視覺和聽覺系統(tǒng)患病風(fēng)險(xiǎn)率也較高。

值得一提的是，以上提到的無(wú)論是基因型為XO、XXY、XXX，甚至更多X染色體存在于細(xì)胞內(nèi)，都是只有一條X染色體有活性的。

3.3 失活X染色體上的漏網(wǎng)之魚

雖然有一條X染色體失活了，但是失活X染色體中的基因序列對(duì)XIST的抑制作用的響應(yīng)能力是不同的，有的時(shí)候會(huì)發(fā)生逃逸現(xiàn)象(escape)，也就是指在失活X染色體上的基因序列，卻表達(dá)了基因產(chǎn)物。基因逃逸現(xiàn)象并不是一個(gè)病態(tài)過(guò)程，事實(shí)上15%的人類和3%的小鼠X染色體基因，都會(huì)發(fā)現(xiàn)基因逃逸現(xiàn)象[8]。

逃逸的基因序列往往存在于X性染色體上的偽常染色體區(qū)(pseudoautosomal region，PAR)。PAR區(qū)域內(nèi)的序列通常不經(jīng)歷X染色體失活。例如，在同源配對(duì)時(shí)與Y染色體相配對(duì)的非假基因座基因是逃避X染色體失活的，因此在男性和女性體細(xì)胞組織中具有兩個(gè)表達(dá)的等位基因[9]。盡管如此，許多逃避基因已經(jīng)失去它們的在Y染色體上的等位基因，對(duì)于這些基因，它們?cè)诖菩灾芯哂懈叩谋磉_(dá)。雖然失活的X染色體上的逃逸基因可能表達(dá)量只有另一條上的10%，但是這一點(diǎn)不同很可能引起不同性別間的表型差異。此外，基因逃逸現(xiàn)象在發(fā)育的不同階段逃逸程度是不同的，有些基因在早期是沉默的，但是當(dāng)衰老以后，又會(huì)表達(dá)出來(lái)。另外，也有科學(xué)家認(rèn)為，失活X染色體上的逃逸基因表達(dá)對(duì)于導(dǎo)致腦功能上的性別差異可能具有重要的意義[10]。很多X染色體上的基因與大腦的發(fā)育和功能相關(guān)，如果這些基因的過(guò)量表達(dá)很可能導(dǎo)致一些神經(jīng)疾病的病程的性別差異。

失活X染色體上的逃逸基因表達(dá)，不但可能是性別差異的表觀遺傳學(xué)基礎(chǔ)，在同一女性性別內(nèi)，由于組織的嵌合體失活狀態(tài)，也增加了基因功能表達(dá)結(jié)果的多樣性。比如，同卵雙胞胎中，女性雙胞胎的相似性就要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于男性雙胞胎的相似性。逃逸基因表達(dá)在X染色體數(shù)量異常的疾病上將導(dǎo)致更加嚴(yán)重的后果，比如在克氏綜合征和X三體癥中，將有可能存在更大劑量的逃逸基因，而使病理結(jié)果更加嚴(yán)重。基因逃逸，也被認(rèn)為與衰老過(guò)程相關(guān)。在加速老化的小鼠模型中發(fā)現(xiàn)了失活X染色體上的逃逸基因表達(dá)量升高。雖然目前還沒有人類的數(shù)據(jù)，但是環(huán)境因素誘導(dǎo)的逃逸基因表達(dá)，可能是加速衰老的一種原因。

4 結(jié)語(yǔ)

X染色體失活和基因組印跡等表觀遺傳學(xué)現(xiàn)象明顯與人類的健康和疾病有重大關(guān)系。然而，目前在預(yù)防、診斷和藥物研發(fā)過(guò)程中，很少側(cè)重于考量X染色體失活的現(xiàn)象。在基礎(chǔ)生物醫(yī)藥研究中，X染色體失活的現(xiàn)象也常常未得到重視?？梢灶A(yù)見的是，將沉默的等位基因去抑制，以及精密調(diào)制基因表達(dá)，或者通過(guò)X染色體失活的機(jī)制來(lái)抑制致病基因的表達(dá)，將對(duì)科研和臨床治療提供全新的思路和方法。

編者按本文選自《知識(shí)分子》微信公眾號(hào)的“表觀遺傳學(xué)”專欄文章。

(2017年1月4日收稿)

[1] MULLE R H J . Further studies on the nature and causes of gene mutation [C]//Proceedings of the 6th Congress of Genetics, 1932, 1: 213-255.

[2] LYON M F. Gene action in the X-chromosome of the mouse (Mus musculus L.) [J]. Nature, 1961, 190: 372-373.

[3] ROWNTREE R K, LEE J T. Mapping of DNA replication origins to noncoding genes of the X-inactivation center [J]. Mol Cell Biol, 2006, 26(10): 3707-3717.

[4] LYON M F. X-chromosome inactivation [J]. Curr Biol, 1999, 9(7): R235-237.

[5] GARTLER S M, DYER KA, GOLDMAN M A. Mammalian X chromosome inactivation [J]. Mol Genet Med, 1992, 2: 121-160.

[6] SPATZ A, BORG C, FEUNTEUN J. X-chromosome genetics and human cancer [J]. Nat Rev Cancer, 2004, 4(8): 617-629.

[7] AVERSA T, LOMBARDO F, VALENZISE M, et al. Peculiarities of autoimmune thyroid diseases in children with Turner or Down syndrome: an overview [J]. Ital J Pediatr, 2015, 41: 39.

[8] DISTECHE C M, BERLETCH J B. X-chromosome inactivation and escape [J]. J Genet, 2015, 94(4): 591-599.

[9] DISTECHE C M, FILIPPOVA G N, TSUCHIYA K D. Escape from X inactivation [J]. Cytogenet Genome Res, 2002, 99(1-4): 36-43.

[10] XU J, DISTECHE C M. Sex differences in brain expression of X- and Y-linked genes [J]. Brain Res, 2006, 1126(1): 50-55.

(編輯：段艷芳)

Mechanisms of X chromosome inactivation

LU Qi
School of Medicine, Wayne State University, Detroit MI 48201, USA

In female mammals’ body cells, one of the X-chromosomes is inactivated as heterochromatin to balance the expression of X-linked genes in females and males. This is so called X chromosome inactivation, the biological basis of many biological phenomena and diseases. Here, we brief l y review the phenomena, the basic knowledge of the X chromosome inactivation and the connections to disease.

X chromosome inactivation, long non-coding RNA, Xist, sex-linked inheritance

10.3969/j.issn.0253-9608.2017.01.005

?通信作者，E-mail: elf i a67@gmail.com