清華新聞網(wǎng)9月20日電 在哺乳動(dòng)物中，雌性（XX）與雄性（XY）細(xì)胞具有性染色體二態(tài)性。為了平衡基因表達(dá)水平，在胚胎發(fā)育早期，雌性細(xì)胞內(nèi)一條X染色體會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)錄失活（X chromosome inactivation, XCI）。X染色體失活異常，會(huì)引起嚴(yán)重的胚胎發(fā)育缺陷，多種人類智力缺陷疾病，甚至胚胎死亡。因此研究X染色體失活及其調(diào)控機(jī)制具有重要的科學(xué)意義和臨床價(jià)值。X染色體失活伴隨著劇烈的X染色質(zhì)結(jié)構(gòu)變化，最終呈現(xiàn)為凝縮的異染色質(zhì)狀態(tài)，被稱為“巴氏小體”。之前對(duì)體外小鼠胚胎干細(xì)胞（mESC）分化過程的研究發(fā)現(xiàn)，失活X染色體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)域（TAD）和區(qū)室（compartment）結(jié)構(gòu)都明顯減弱，同時(shí)出現(xiàn)了以宏衛(wèi)星序列Dxz4為邊界的超級(jí)結(jié)構(gòu)域（Dxz4-separated megadomains，D-megadomains）。
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院頡偉實(shí)驗(yàn)室和合作者前期圍繞染色體三維結(jié)構(gòu)在哺乳動(dòng)物生殖和胚胎發(fā)育過程中的變化規(guī)律和功能進(jìn)行了一系列研究，包括精子發(fā)生、卵子發(fā)生、著床前胚胎、著床后胚胎和核移植過程等。然而，染色體三維結(jié)構(gòu)在雌性胚胎發(fā)育早期X染色體失活過程中的動(dòng)態(tài)變化過程、機(jī)制和功能仍不清楚。
9月10日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院頡偉課題組、王海峰課題組與美國(guó)密歇根大學(xué)醫(yī)學(xué)院桑迪普·卡倫特（Sundeep Kalantry）課題組合作在《自然·遺傳》（Nature Genetics）雜志發(fā)表了題為“早期胚胎發(fā)育中失活X染色高級(jí)結(jié)構(gòu)的從頭建立”（Stepwise de novoestablishment of inactive X chromosome architecture in early development）的研究論文，系統(tǒng)性描繪了小鼠胚胎失活X染色體三維染色質(zhì)構(gòu)象的從頭建立過程，其中首次報(bào)道了胚胎發(fā)育早期失活的X染色體呈現(xiàn)出一種特殊的染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)（Xist-separated megadomains，X-megadomains），并深入探究了其形成的分子機(jī)制和參與平衡失活X染色體上必要基因激活和全局性轉(zhuǎn)錄沉默的潛在功能，為深入理解X染色體失活機(jī)制以及染色體高級(jí)結(jié)構(gòu)與基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控關(guān)系提供了重要參考。
圖1.X染色體高級(jí)結(jié)構(gòu)在小鼠胚胎發(fā)育過程中的動(dòng)態(tài)變化
小鼠胚胎發(fā)育過程中，X染色體失活受到精確而動(dòng)態(tài)的調(diào)控。從4-細(xì)胞時(shí)期開始到囊胚期，父源X染色體發(fā)生特異的印記失活（Imprinted XCI）。之后，父源X染色體在胚外組織中維持印記失活狀態(tài)，而在胚胎細(xì)胞中，其首先被短暫地重新激活，然后父源或者母源X染色體發(fā)生隨機(jī)失活（Random XCI）。在這一工作中，研究人員利用課題組開發(fā)的高靈敏sisHi-C技術(shù)，系統(tǒng)分析了從1-細(xì)胞胚胎到E9.5胚外組織以及E13.5胚胎細(xì)胞的X染色體三維結(jié)構(gòu)，涵蓋了X染色體印記失活和隨機(jī)失活的建立和維持過程。研究者發(fā)現(xiàn)，小鼠胚胎X染色體失活過程中TAD和compartment結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出和mESC分化相似的減弱趨勢(shì)（圖1）。但是在小鼠著床后胚胎的胚外組織中出現(xiàn)了一種獨(dú)特的以Xist位點(diǎn)為邊界的超級(jí)結(jié)構(gòu)域，因此將其命名為Xist-separated megadomain（X-megadomains）。這一結(jié)構(gòu)在胚內(nèi)組織發(fā)生隨機(jī)X染色體失活的初期也短暫地出現(xiàn)。之前報(bào)道的D-megadomain則主要在胚胎發(fā)育后期出現(xiàn)，并只出現(xiàn)在部分小鼠品系中（圖1）。X-megadomains在體外培養(yǎng)的胚外內(nèi)胚層干細(xì)胞（XEN）也存在，并且能夠被3D RNA/DNA FISH驗(yàn)證。
圖2.黏連蛋白（Cohesin）介導(dǎo)的失活X染色體上活躍轉(zhuǎn)錄基因的自我隔離
研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，X-megadomains的形成與Xist基因上游調(diào)控區(qū)域（Xist Regulatory Region,XRR）的增強(qiáng)子活性以及黏連蛋白（Cohesin）結(jié)合具有很好的相關(guān)性。在XEN細(xì)胞中敲除XRR區(qū)域、沉默Xist表達(dá)或特異性誘導(dǎo)Cohesin降解，都會(huì)破壞X-megadomains，而降解CTCF對(duì)X-megadomains結(jié)構(gòu)的影響較小。結(jié)合之前研究報(bào)道的組蛋白乙酰化可以通過乙酰化識(shí)別器BRD4進(jìn)而招募Cohesin的裝載（loading）蛋白NIPBL，研究人員提出了X-megadomains形成的分子機(jī)制：早期胚胎中Xist基因上游調(diào)控區(qū)域（XRR）高度活躍的增強(qiáng)子信號(hào)促進(jìn)Cohesin在該區(qū)域大量裝載，導(dǎo)致Cohesin在附近區(qū)域大量積累，并通過環(huán)擠壓（loop extrusion）形成X-megadomains（圖2）。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，X-megadomains被破壞后，Xist位點(diǎn)附近基因和轉(zhuǎn)錄調(diào)控序列異常激活，提示Cohesin在Xist和XRR區(qū)域的富集可能使得附近活躍的DNA區(qū)域自我隔離，以阻止其轉(zhuǎn)錄活性向周邊區(qū)域擴(kuò)散，從而避免周圍轉(zhuǎn)錄沉默基因的異常激活。因此，通過活躍增強(qiáng)子介導(dǎo)的Cohesin裝載和活躍基因的自我隔絕，細(xì)胞可以更好地維持失活X染色體上必要的基因激活和全局性轉(zhuǎn)錄沉默（圖2）。綜上所述，該工作揭示了小鼠胚胎失活X染色體高級(jí)結(jié)構(gòu)的從頭建立過程，以及其潛在的基因調(diào)控功能。
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院頡偉教授、王海峰助理教授和美國(guó)密歇根大學(xué)醫(yī)學(xué)院桑迪普·卡倫特（Sundeep Kalantry）教授為論文的通訊作者，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士后杜振海、2019級(jí)博士生胡梁俊、2018級(jí)博士生鄒卓寧和2019級(jí)博士生劉美鑠為論文共同第一作者。清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院2022級(jí)博士生李梓晗、博士后盧緒坤，美國(guó)密歇根大學(xué)醫(yī)學(xué)院克萊爾·哈里斯（Clair Harris），重慶醫(yī)科大學(xué)教授向云龍，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士后陳鳳玲、于廣、許鍇和2022級(jí)博士生孔鳳也在該課題中作出了重要貢獻(xiàn)。
該課題得到了清華大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心的大力協(xié)助和支持。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)、國(guó)家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心、美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院（NIH）國(guó)家普通醫(yī)學(xué)科學(xué)研究所（NIGMS)、美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院（NIH）國(guó)家兒童健康與人類發(fā)展研究所（NICHD）和中國(guó)博士后科學(xué)基金的經(jīng)費(fèi)支持。王海峰得到清華大學(xué)篤實(shí)專項(xiàng)計(jì)劃和本源公益基金資助。頡偉是HHMI國(guó)際研究學(xué)者和新基石研究員。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41588-024-01897-2
供稿：生命學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：曾儀
編輯：李華山
審核：郭玲
