Naure揭示失活X染色體驚人發現

日期：2016-07-26 09:12:43

馬薩諸塞大學醫學院、居里研究院和斯坦福大學的科學家們，詳細地查看了磁性哺乳動物失活X染色體緊密包裝的小結構——巴爾氏小體（Barr body）的內部，并開發出了一個模型系統，其有可能成為了解染色體結構和基因表達的一個重要工具。

長期以來人們都認為失活的X染色體是一種相當無組織的緊密結構，但發表在《自然》（Nature）雜志上的新研究揭示出，高度組織化的染色體包含兩種不同的壓縮失活DNA葉，一些較小的結構化活化DNA結構域嵌入其中。這些稱作為拓撲相關結構域（topologically associated domain）的較小結構域是高度界定的遺傳“區域”，也存在于其他染色體上。這些結構域在基因表達中起著重要的作用，它們存在于失活的巴爾氏小體令人感到驚訝。

霍華德休斯醫學研究所研究員、系統生物學項目共同主任、生物化學與分子藥理學教授Job Dekker博士說：“這是我們能夠獲得的巴爾氏小體中DNA最詳細的分子視圖。在顯微鏡下，失活的X染色體與其他的染色體有很大的不同；它看起來像一個壓縮的、不明確的、失活的‘斑點’。利用廣泛的實驗方法包括成像和基因組方法，我們的研究描述了完全不同的東西：一個高度組織化的精密的結構，富有一些沿著染色體沉默或激活基因的特征。”

盡管DNAs是由線性的堿基序列組成，它并非以一種簡單的直線形式存在于細胞核內。相反，基因組自身折疊并卷曲成環，因此它能夠裝入細胞核緊密的限定范圍內。它所采納的形狀對于細胞中開啟或關閉哪些基因有著深遠的影響。要正確理解基因組發揮作用協調基因表達的機制，必須要認識在細胞空間中基因組是如何組織的。

就失活X染色體來說，科學家們知道雌性哺乳動物包含兩條X染色體，一條被“關閉”以避免基因過度表達。在顯微鏡下可以清楚地看到這一失活的X染色體是緊密的、無形狀的黑斑，叫做巴爾氏小體。人們認為，巴爾氏小體的緊密形狀是由于其幾乎全部失活所致。但哪怕利用最先進的成像技術，基于染色體構象捕獲的基因組方法，也極難探索巴爾氏小體的確切結構、它們的壓縮機制，以及一些DNA片段仍然活化的原因。

作為研究基因組三維結構的先驅，Dekker開發了一套染色體構象捕獲技術，這些生物化學技術可以確定DNA片段互作及與彼此關聯的機制——這是全世界的研究人員采用"3C" 、"5C" 和 "Hi-C"工具繪制細胞內染色體三維組織圖的核心。利用Hi-C技術，Dekker和同事們構建出了失活X染色體形狀和結構的詳細視圖。

為了揭示失活X染色體的結構，Dekker和同事們首先克服了一些主要的障礙。根據Dekker實驗室生物信息學者Bryan R. Lajoie所說，一個問題是鑒于它們擁有幾乎一樣的序列，不可能區分出失活X染色體和活化X染色體。“我們在實驗室使用的小鼠模型缺乏進行這樣的區分所需的遺傳多樣性。”

Lajoie說：“為了采用Hi-C測序技術正確確定X染色體的三維結構，我們讓兩種不同的小鼠品系雜交，并構建了一種新的計算方法利用一條X染色體中天然存在的一些突變作為路標。通過計算填補這一缺口，我們能夠連接足夠的點開始構建出巴爾氏小體內失活X染色體的三維模型。”

他們發現，巴爾氏小體并非是一個致密的DNA團塊，而是由兩個獨立包裝的DNA葉所構成，兩者被只存在于基因組中少數地方、高度重復的DNA片段——微衛星重復序列所隔開。Dekker猜測，這些微衛星重復序列負責包裝和組織了巴爾氏小體內的DNA。當研究小組采用CRISPR技術移除染色體中的微衛星重復序列時，他們發現這一雙葉結構消失了。

居里研究所表觀遺傳學與細胞記憶教授 Edith Heard博士說：“一個元件可以對一條染色體的形狀和功能產生這樣的整體影響，這很了不起。”

盡管幾乎全部失活，在這些DNA葉內仍然有一些基因簇獲得表達。這些基因定位在拓撲相關結構域(TADs)內，TADs將基因組組織成了由富有CTCF蛋白的邊界分隔的區域，CTCF蛋白抑制了轉錄。這一研究發現表明，TAD發揮作用組織了沉默X染色體失活DNA葉內的基因表達。

Dekker說：“失活巴爾氏小體內的基因要表達，它就必須要定位在TAD內。TADs有可能發揮了一種保護作用，使得一些基因即便定位在壓縮失活的染色體內時仍易于接近獲得表達。”

這一突破確立了失活X染色體是研究基因組空間組織和基因表達之間關系的一種強大且獨特的模型系統，將幫助科學家們更多地了解活細胞中基因組的運作機制。

瑞典卡羅林斯卡學院和Ludwig癌癥研究所的研究人員，對胚胎發育的第一周進行了詳細的分子分析。他們的研究結果揭示出人類和小鼠之間的胚胎發育存在顯著的差異。發表在2016年4月Cell雜志上的這項研究還表明，X染色體上的基因受到不同的調控。

來自加州理工學院的研究人員發現了一類豐富的RNA基因——長鏈非編碼RNAs(lncRNAs)是如何調控一些關鍵基因的。通過研究一種叫做Xist的重要lncRNA，科學家們確定了這種RNA聚集一組蛋白質，最終阻止女性擁有一條額外的功能性X染色體的機制。在女性胚胎中多出一條功能性X染色體可以導致早期發育階段死亡。這是研究人員首次揭示出lncRNA基因的詳細作用機制。研究論文發表在2015年4月27日的Nature雜志上。

許多蛋白質與一個稱為Xist的RNA分子相互作用，以覆蓋和沉默每個雌性細胞中的一個X染色體。了解基因如何被靶定和沉默，可以幫助研究人員研究性別特異性的疾病。斯坦福大學醫學院的研究人員提出了X染色體失活的分子步驟，表明當早期胚胎細胞開始分化成更多專門組織時，X失活以一種有序、定向的方式發生。他們已經在小鼠細胞中發現了超過80個蛋白，它們與Xist結合以幫助它起作用。研究人員希望，這一發現可以解釋通常在一種性別中更為嚴重的人類疾病。研究結果發表在2015年4月的《Cell》雜志。