X染色体:X失活

引用:安哲秀，李俊杰。 (2008)X染色体:X失活。自然教育 1（1）：24

女性(XX)性染色体上携带的x连锁基因是男性(XY)的两倍。细胞如何控制基因表达来处理这个潜在的致命剂量问题?

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在一张照片中，一只白纹猫侧卧在铺着地毯的地板上，抬头看着镜头。猫的胸、腹、前爪和后爪都是白色的。猫的头部、背部、上肢和尾巴都覆盖着黑色和棕色的斑块。

图1:印花布猫。

白花猫身上斑驳的颜色分布是由于雌性的一条X染色体随机失活造成的。

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不像基因贫乏的Y染色体,X染色体包含超过1000个基因这是正确的必要条件发展而且细胞生存能力．然而，女性携带两份X染色体，导致X连锁基因的潜在毒性加倍。为了纠正这种不平衡，雌性哺乳动物进化出了一种独特的机制剂量补偿不同于苍蝇和蠕虫等生物。特别是，通过x染色体失活(XCI)过程，雌性哺乳动物以一种复杂而高度协调的方式在转录上使它们的两个x中的一个沉默(Lyon, 1961)。失活的X染色体然后凝结成一个紧密的结构，称为a巴氏小体，并稳定维持在沉默状态(Boumil & Lee, 2001)。

一个典型的例子X失活是在玳瑁或印花布猫的毛色图案中(图1)。在猫身上，皮毛色素沉淀基因是X连锁的，根据每个细胞选择活跃的X染色体的哪个拷贝，结果是橙色或黑色的被毛颜色。X失活只发生在有多个X染色体的细胞中，这就解释了为什么几乎所有的白纹猫都是雌性。

X失活有两种不同的形式:随机失活和印迹失活。虽然这两种形式利用相同的rna和沉默酶，它们在发育时间和作用机制上有所不同。

非编码rna和X失活

如前所述，核糖核酸在X失活中起重要作用。具体来说，两个非编码，互补rna -XIST而且TSIX-启动和控制失活过程。

XIST为了沉默而存在

图2:的表达式XIST基因在雄性，雌性和体细胞杂交。

从人淋巴母细胞系或小鼠-人体细胞杂交中分离出的总细胞RNA的槽点杂交，保留活跃或不活跃的人X染色体，与14A XIST cDNA问题杂交。探针只与含有失活X染色体的细胞系的RNA样本杂交。

XIST，或X-非活性特异性转录本，由于其在非活性的女性X染色体中特异性表达而被发现。这种RNA有四个独特的性质(Borsaniet al。, 1991;Brockdorffet al。, 1991年, 1992;棕色（的）et al。， 1991, 1992;克莱姆森et al。, 1996):

的XIST基因不编码a蛋白质而是产生17kb的功能性RNA分子．因此，它是一个非编码RNA(哥,2008)。
XISTRNA只在含有至少两个x的细胞中表达，而在雄性细胞中通常不表达(图2)XIST在拥有更多X染色体的细胞中可以看到这种表达，因为计数机制决定了每个细胞只有一个X染色体可以保持活性。在这样的细胞中，XIST由所有多余的x表示。
XISTRNA只存在于核并且能够“覆盖”产生它的染色体(图3)。
矛盾的是,XISTRNA是从不活跃的X染色体中表达出来的。

研究表明XISTRNA对失活既必要又充分(Pennyet al。, 1996;Wutz & Jaenisch, 2000)，它招募各种沉默蛋白复合物来标记未来失活的X染色体。增加XIST表达代表了X失活的关键起始事件，表明这种非编码RNA的核心作用。

TSIX对抗XIST

两张并排的显微照片显示了一个被Xist RNA包裹的DNA区域。在左边的显微照片中，DNA看起来像黑色背景下的一团蓝色线圈。白色箭头表示覆盖一条染色体的绿色小区域。这个绿色染色对应的是XIST涂层。右边的显微照片显示左边的图像是黑白的，没有染色。XIST涂层不明显，但DNA结构在这张图像中更清晰。

图3:失活X染色体。

雌性EB细胞中期染色体显示只有Xist(绿色，7s+8s)包裹X. Tsix探针(红色，7as+8as)没有信号。染上api的图像是黑白的。箭头，非活动X。

那么，你怎么样XIST在一条X染色体上表达，而在另一条X染色体上保持沉默?这个问题的答案就在人类发现XIST,当XIST的反义伙伴-TSIX(“XIST“倒着说)——被认出来了(李et al。, 1999)。反义这个词指的是TSIX是互补的XIST．TSIX也是一种长(40千碱基)的非编码RNA，但它在整个XIST基因。就像XIST，TSIX只作用于产生它的染色体。而且，两者之间存在反比关系TSIX而且XIST表达式:TSIX 转录约简到一个X上，XIST表达增加并导致同一X染色体失活(Lee & Lu, 1999;茶道et al。, 2001)。相比之下，过度表达TSIX防止XIST表达和块失活独联体或者在同一个X上(Luikenhuiset al。, 2001;Stavropoulos等, 2001)。这些观察表明，表达TSIX需要拮抗吗XIST在未来活动X上(图3)。

印记X失活:父亲的优先沉默

正如本文前面提到的，X失活有两种类型:印迹失活和随机失活。在印记X失活期间父亲的(父亲的)X染色体在胎盘(胚胎外组织)中优先沉默真兽亚纲动物哺乳动物，以及早期有袋哺乳动物的所有细胞，如负鼠和袋鼠(Graves, 2006;黄恩和李，2005)。有趣的是,XIST而且TSIX对小鼠(真兽类)的XCI印迹都很重要，但有袋类动物没有XIST基因同源物(Duretet al。, 2006;李,2000;Marahrenset al。, 1997;茶道et al。, 2001)。这就提出了一个问题，有袋类动物在不使用的情况下是如何实现印迹失活的XIST．一种可能的机制涉及雄性种系中父系X基因的预沉默性染色体都是无效的减数分裂；在这里，X的不活跃状态可以传递给下一代(Horneckeret al。, 2007;黄恩和李，2005年;Namekawaet al。, 2007)。从进化的角度来看，这种形式的遗传XCI在女性胚胎中很容易且经济地实现剂量补偿，因为只有女性从她们的父亲那里继承了X染色体。

有趣的是，这种机制的残余可能仍然存在于真兽哺乳动物中，如小鼠(Huynh & Lee, 2005)。虽然关于如何以及何时实现剂量补偿的细节仍存在争议，但很明显，在植入子宫之前，印迹XCI首先出现在早期真兽哺乳动物胚胎的所有细胞中(Huynh & Lee, 2005;冈本和希尔德，2006)。再加上早期哺乳动物，如有袋类动物，也只沉默它们的父系X，印记XCI可能代表了X失活的进化祖先形式。在…出现之前发生的XIST而且TSIX，印XCI导致进化真兽类哺乳动物的随机XCI。

随机X失活

随机X失活发生在早期女性胚胎，在这里，孕产妇每个雌性细胞都有一项艰巨的任务，即试图区分同一细胞核内的两条X染色体，然后将其中一条指定为活跃的X染色体，另一条指定为非活跃的X染色体。这一复杂的沉默过程在每个细胞中独立完成，主要由XIST而且TSIX．

胚胎干细胞(ES)在分化时可发生随机X失活在体外(马丁et al。, 1978;Rastan & Robertson, 1985)，因此他们作为一个好模型用来研究这一现象的系统。事实上，使用胚胎干细胞和早期小鼠胚胎使遗传学家能够解剖随机XCI途径的不同阶段。似乎每个细胞首先计算其X染色体的数量，然后随机选择一个X染色体保持活跃，最后使未来不活跃的X染色体沉默(Bourmil & Lee, 2001)。全染色体沉默涉及到许多专门因素的招募，例如组蛋白变异和染色质修饰符(Lucchesiet al。, 2005)。

除了抑制两个X中的一个外，细胞还必须确保另一个X保持活跃。因此，两个x必须有一种相互通信的方式来指定互斥的命运。有趣的是，最近的证据表明，在早期发育过程中，这种交流是由x之间的蛋白质和转录依赖配对介导的(Bacheret al。, 2006;徐et al。， 2006, 2007)。随着各种增强子和修饰子的发现，随机XCI的故事变得更加复杂，这些增强子和修饰子可以改变或扭曲一个X染色体的失活。

双面板图显示了x染色体失活的两种模型:从头激活模型和预失活模型。在从头失活模型中，父系X染色体在受精前和发育早期多次失活和再激活，直到胚胎中发生最终的随机X染色体失活。在预失活模型中，父亲X染色体在受精前预失活，在胚胎外细胞中经历完全沉默，在胚胎细胞中经历随机X染色体失活。

图4:小鼠x染色体失活的个体发育:目前的两种观点。

a)从头失活模型需要多轮失活和再激活:父系生殖系启动减数分裂性染色体失活，但X染色体在减数分裂后完全重新激活。受精卵继承了两条完全活跃的X染色体，并在4- 8个细胞阶段开始重新失活父X染色体(XP)。在营养外胚层(胚胎外细胞，蓝色所示)中，XP沉默被维持，因此解释了x染色体失活的印迹形式。相比之下，在外层细胞(绿色细胞)中，另一轮的再激活以随机x染色体失活的形式发生，为最后一轮的失活做准备。b)在失活前模型中，女性受精卵继承了部分沉默的XP，并在整个着床前发育过程中保持沉默状态。在胚胎外组织中，沉默变得全球化和完整。这解释了x染色体失活的印迹形式。相比之下，内细胞团(ICM)的外胚层细胞经历单轮再激活，然后是随机形式的x染色体失活。

de novo inactivation, an egg with a red Xa chromosome and a sperm cell with a red and blue banded Xi chromosome undergo fertilization. Before fertilization, the paternal X chromosome is inactivated, but it undergoes reactivation during fertilization. The resulting zygote then contains two active X chromosomes, but the paternal X chromosome once again undergoes inactivation. The zygote develops into a blastocyst, which is represented by a ring composed of 23 small blue ovals, each with a pink dot in the center. Nine small light green ovals, each with a pink dot in the center, are lying at the bottom of the ring. Cells from the ring of extraembryonic cells undergo imprinted X-chromosome inactivation, resulting in permanent paternal X chromosome inactivation. This develops into the placenta. In contrast, the inactivated X chromosomes in the embryonic cells go through another round of reactivation, followed by random X-chromosome inactivation during embryonic development. During pre-inactivation, the red and blue banded Xi chromosome inside the head of the sperm undergoes pre-inactivation. This pre-inactivated state remains in the zygote. During development into the blastocyst, the paternal X chromosome undergoes imprinted X-chromosome inactivation to cause incomplete silencing of the chromosome. Extraembryonic cells in the blastocyst once again undergo imprinted X-chromosome inactivation, resulting in complete paternal X chromosome silencing. Embryonic cells in the blastocyst undergo X-chromosome reactivation, followed by random X-chromosome inactivation during embryonic development.")" class="inlineLinks">细节图

为什么进化随机X失活?

这种印记X失活与随机X失活的比较提出了一个重要的问题:如果早期着床前胚胎的所有细胞都已使父性X失活，为什么还需要重新激活它，只是为了再次随机失活X染色体?一种假设是，也许胎盘哺乳动物进化出随机的X染色体失活，是为了有更多的机会来应对X染色体连锁突变。具体来说，如果父亲的X染色体总是失活的，这就给所有X染色体带来负担基因表达在母亲身上。因此，胎盘哺乳动物可能进化出了随机的X染色体失活，以减轻母体X染色体突变的负担。在雷特并发症状例如，携带突变副本的雌性MECP2在母体X上的基因能够存活(尽管有变量症状)，因为父亲的X有一个正常的拷贝，在一些细胞中保持活跃(哈姆et al。, 2005)。随机XCI在机制上也比印迹XCI更完整，后者往往非常漏，或仍然表现出一些正常表型(Graves, 2006)。

尽管随机XCI是非常完整的，但有相当一部分真兽基因可以逃脱失活并保持活跃，特别是在人类中，尽管事实如此XISTRNA沿整个X染色体传播(Carrel & Willard, 2005;约翰斯顿et al。, 2008)。事实上，某些基因可以逃脱沉默直接影响某些人类条件，其中有一个X染色体数量异常．例如，XO女性(特纳综合征)，XXX女性和XXY男性(克兰费尔特综合征)都表现出发育缺陷(包括不孕和不孕)先天性尽管在XXX和XXY个体中，多余的X被沉默(图2)，而特纳综合征女性的单个X仍然活跃(Hamet al。, 2005)。这些症状可能是由于通常逃避XCI的x连锁基因没有在正确的剂量下表达。

x失活研究:未来展望

X失活的研究已经进行了半个多世纪，但仍有几个未解决的问题。例如，单元格如何准确地计算它的x的数量?如何在分子水平上实现和维持沉默?为什么非编码rna在XCI中扮演如此重要的角色?一些重要的基因是如何逃脱病毒无处不在的影响的XIST在非活动的X上?

X失活的研究也可以提供深入的见解癌症生物学在许多人类乳腺和卵巢肿瘤中发现了两个活性x (Liaoet al。,2003)。此外，x失活过程可以扩展到x连锁基因的范围之外，并应用于许多涉及印迹基因的人类疾病——仅由两条亲本染色体中的一条表达的基因显然也受到非编码rna的调控(Sleutels & Barlow, 2002)。毫无疑问，X失活代表了一个伟大的模型系统，用它来研究广泛的发育和表观遗传过程——那些涉及稳定的基因表达而不改变潜在的过程DNA序列。