X染色体失活的研究进展

梁文权 赵存友

在哺乳动物的发育过程中，性染色体决定了性别分化，雌性哺乳动物的两条X染色体中的一条异常固缩而失去活性。1949年Barr在观察雌猫的有丝分裂间期神经细胞核中发现一条深染的小体，他把该小体命名为 “Barr Body”［1］，“Barr Body”后被证实为一条异常固缩无活性的X染色体。1961年Lyon提出了假说:雌性哺乳动物 (XX)细胞中仅有一条X染色体有转录活性，另一条异常固缩的X染色体失去活性;X染色体失活发生于胚胎早期;X染色体的失活随机发生，可为父源遗传失活，亦可为母源遗传失活;失活的X染色体在细胞的有丝分裂过程中可稳定传递［2］。近60年来研究者对X染色体的失活机制提出了许多学说，然而仍无法对该现象进行完美解释。本文综述了近60年来关于X染色体失活的多个重要学说，希望能对X染色体的失活机制有进一步的认识。

一、X染色体失活过程与早期胚胎发育

在小鼠胚胎发育过程中存在着染色体随机失活的现象，在两细胞阶段小鼠胚胎细胞父源X染色体失活，在胚胎发育到受精后E3.5，囊胚内细胞团(inner cell mass，ICM)父源X染色体重新激活，使得内细胞团亲本来源的两条X染色体都具有生物活性，在囊胚着床的过程中，囊胚内细胞团分化为上、下胚层，上、下胚层的细胞会激活X染色体随机失活的机制，然而胚外的细胞则一直维持父源X染色体失活［3］。胚外组织如绒毛组织的父源X染色体将保持失活状态，而母源的X染色体具有活性，提示着床后，为避免母体的免疫攻击，胚外组织仅保持母源X染色体的活性，然而此种现象只在小鼠中观察到，并未在人群中证实［4］。

X染色体的沉默发生于雄性生殖细胞系精子形成过程的第一次减数分裂中，X和Y处于减数分裂性染色体失活 (meiotic sex chromosome inactivation，MSCI)并形成XY小体，父源X染色体上85%的基因在精子形成的减数分裂结束过程直至胚胎植入前是失去活性的，并可以在细胞卵裂形成桑椹胚过程中稳定传递，而母源的X染色体通过母源印记保护而使其免于失活。在内胚层和滋养外胚层细胞中，始终维持父源X染色体的失活状态;而ICM和外胚叶 (epiblast)细胞中，父源X染色体重新活化，随后在原肠胚 (gastrulation)和原生殖细胞(primordial germ cell，PGC)中发生父源和母源的X染色体随机失活，并在形成胎儿后保持随机失活［5－8］。雌性生殖细胞进入减数分裂时，失活的染色体被重新活化。这种选择性失活是可以通过有丝分裂遗传和稳定存在的，导致女性个体不同程度的X染色体关联基因的表达改变［9］。单亲二体研究表明来自父源的单亲二体胚胎发育异常，只有胎盘发育而无胎儿发育，母源的单亲二体则滋养层细胞发育功能异常［10］。

二、Xist和Tsix在X染色体失活过程中的调控作用

X染色体失活中心 (X chromosome inactivation center，XIC)编码的多个长非编码RNA调控，包括Xist、Tsix等结合到XIC上，进而富集更多的染色体修饰相关复合物，促使异染色质构象的形成。也有研究表明Xist结合到XIC上并非X染色体遗传印记所必须的，在小鼠早期胚胎中缺乏Xist的父源X染色体仍会在第一次卵裂时失活［11］。现有研究表明结合Xist启动因子的H3K9me3的母源三甲基化可能在母源印记中扮演重要角色［12］。

XIC包含许多非编码区域如Xist和其他已知的调控因子如:抑制因子Tsix和激活因子Rnf12［13］。Xist是X染色体失活的主要调控因子，Xist位于X染色体的XIC区域。Xist是一个长非编码基因，仅在失活X染色体中表达，其转录产物为长非编码RNA在X染色体上的覆盖引发了相应X染色体的失活［14］。Xist lncRNA结合到失活染色体上是X染色体失活的关键一步，研究证明当Xist lncRNA结合到Xi(inactive X chromosome)上时该X染色体的转录活性明显降低，X染色体异常固缩，而且H2A1.2的募集增加，然而研究表明这种Xi上H2A1.2的时序性的累积并非X染色体随机失活和传播所必须的［15］。在X染色体的活性转变过程中H2A1.2的募集和组蛋白H4的低乙酰化却是在Xist聚集在Xi上之后发生的，然而H3-K9的甲基化与Xist结合到Xi上几乎平行发生［16］。值得注意的是Xist可能募集调节Xi H3-K9甲基化程度的酶。

遗传学研究表明，反义基因Tsix是Xist的一个重要的抑制因子，参与调控X染色体的随机失活［17］。Tsix RNA为长约1.6Kb的非编码 RNA，其在XIC中的位置与Xist重叠但为反义方向转录。Tsix反义转录本跨过Xist启动区是Tsix介导抑制Xist活性必需的［18］。尽管抑制的具体分子机制尚未完全明确，但被认为是参与了Xist启动子区组蛋白修饰状态的转换和DNA甲基化酶 Dnmt3a的富集［19］。根据Ogawa 2008年提出的 Xist和 Tsix的表达模型，Xist和Tsix先转录出双链 RNA，然后在Dicer酶的作用下编辑成有活性的片段。其研究发现在第一次卵裂时，Xist RNA的长度为30nt，比在有活性的X染色体中的转录本大，因此他们推测RNA抑制失活机制在X染色体失活中扮演重要角色［18］。此外，Tsix在X染色体计数过程中起了关键的作用，并观察到Tsix缺失的XY胚胎干细胞 (embryonic stem cell，ESC)处于分化过程中的Xist显著上调，而在未分化的XY ESC中也观察到Tsix的缺失导致Xist基因的表达上调，表明还有其他机制参与了Xist的抑制过程［20］。最近的研究报道证实了转录因子Oct4、Nanog、Sox2等在X染色体失活过程的重要作用。这些抑制效应通过驱动Tsix的表达或通过抑制 Xist激活因子 Rnf12 来抑制 Xist［21］。

有研究表明在X染色体的配对和计数过程中，Oct4具有重要作用，Oct4通过结合Tsix和Xist调控这一进程［21］。同时也有研究表明，在多能干细胞中，Oct4结合在Xist基因上，通过染色质免疫沉淀法进一步研究发现，Oct4在多能干细胞系ES细胞中是紧密结合在Xist内含子1上，然而在分化过程中结合在Xist内含子1上的Oct4会逐渐减少，同时结合到Xist上的Tsix会增多，这也就意味着Tsix调控 Xist存在另一机制［22］。

有研究者利用巢式PCR和Sry基因作为性别鉴定基因发现，转录Sry基因的睾丸细胞以及雄性胚胎从受精卵发育至囊胚的过程中几乎不转录Xist基因;不转录Sry的雌性卵母细胞和雌性胚胎从合子开始到发育至2细胞的过程中，Xist基因不转录，然而从4细胞期开始到囊胚期，雌性细胞始终保持Xist基因转录活性［23］。

三、X染色体失活与疾病

多项研究表明X染色体失活的程度与临床疾病相关。研究表明X连锁显性遗传Alport综合征女性患者临床表型的差异与不同组织X染色体失活方式有关，研究者发现随着尿蛋白水平的增加，X连锁Alport综合征 (X－linked Alport syndrome，XLAS)女性患者外周血中COL4A5致病等位基因所在X染色体失活比例的平均值降低，二者呈负相关，X染色体的失活方式也许能解释XLAS女性患者的临床表型差异［24］。Menkes病是一种罕见的X连锁隐性遗传病，研究人员选取了一例临床确诊的Menkes病患儿，男性，通过DNA测序确认了ATP7A基因突变并通过亲缘突变分析发现，该Menkes病患儿的母源X染色体可能为非随机失活，母亲可能优先失活有突变的X染色体［25］。

研究发现在自然流产中存在着性别特异性流产，在早期流产中，女性胚胎多于男性［26］。研究人员发现若发生X染色体失活偏移，胚外组织绒毛细胞父源X染色体失活异常则可能导致自然流产，其机制可能与母体的自然免疫攻击有关［4］。研究发现X染色体失活偏移多与X染色体连锁疾病相关，如Rett综合征作为一种X连锁显性遗传病，其临床症状主要表现为进行性神经系统发育障碍，多发于女性，X染色体失活偏移，女性患者的临床症状会减轻［27］。

四、小结

近年来，X染色体失活研究领域的热点为失活逃逸，尽管在这方面的研究很多，然而却缺乏有力的学说和机制解释这一现象。有证据表明人类X染色体上约有15%的基因可逃逸失活，并且有10%的基因可发生异质性失活逃逸。另一研究热点问题为Xist和Tsix的反馈调节机制，尽管2008年Ogawa提出了Xist和Tsix的转录抑制机制［19］，但这一机制无法完全解释X染色体失活过程中Xist和Tisx表达图谱的变化，因此Xist和Tsix的表观遗传调控机制仍将是研究的热点，并且由于研究的进一步深入，更多的转录因子会被发现与Xist和Tsix的调控机制有关。

X染色体失活涉及基因印迹、lncRNA(Jpx)［28］和甲基化等，为研究表观遗传学的良好模型。有研究表明单等位基因水平的lncRNA自我增强的转录调控参与了X染色体失活的过程［28］。作为一个良好的表观遗传学的研究模型，X染色体失活能让我们对许多的表观遗传水平的调控机制有更好的认识。X染色体有1000多个基因，占全基因组的5%，且许多遗传性疾病相关基因位于X染色体，X染色体的失活对健康的影响深远［29］。

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