清華新聞網(wǎng)1月19日電 基因表達調(diào)控在不同性別之間展現(xiàn)出令人驚嘆的分子巧思，仿佛一場精心編排的生命雙重奏。X染色體失活（X chromosome inactivation，XCI）是雌性哺乳動物體細胞中通過異染色質(zhì)化隨機失活一條X染色體的過程，是實現(xiàn)基因劑量平衡的重要機制。過往的大量研究證實經(jīng)典長非編碼RNA:Xist的表達、擴散和穩(wěn)定維持依賴于一系列分子內(nèi)外的復(fù)雜互作網(wǎng)絡(luò)，例如HNRNPK、SPEN、PRC1和PRC2等一系列關(guān)鍵因子促進X染色體異染色質(zhì)化，最終形成具有特定拓撲結(jié)構(gòu)的高級染色質(zhì)疆域，熒光顯微鏡下微米尺度的巴氏小體（Barr body）。X染色體失活（XCI）領(lǐng)域的一個重要未解之謎是，Xist RNA如何特異性地濃縮在失活的X染色體（Xi）上。進一步研究發(fā)現(xiàn)，Xist的第一個外顯子中存在一個核心位點（nucleation site），其作用是將新生的Xist轉(zhuǎn)錄本錨定在X失活中心（Xic），并促進其在Xi上的順式擴散。Xist的濃縮隨后使其相互作用的蛋白質(zhì)伙伴也富集于Xi上。盡管這一領(lǐng)域取得了一些進展，Xist RNA擴散的機制仍然未被完全闡明。關(guān)鍵問題包括：還有哪些X染色體上的決定因素調(diào)控Xist RNA的擴散行為？是什么限制了Xist RNA向其他染色體擴散？
1月16日，清華大學生命學院李丕龍課題組與合作者在《細胞》（Cell）雜志上在線發(fā)表題為“Xist RNA限制性擴散行為的生物物理學基礎(chǔ)”（A biophysical basis for the spreading behavior and limited diffusion of Xist）的文章。該研究提出Xist特異性捕獲并“軟化”HNRNPK液滴，內(nèi)化其它XCI關(guān)鍵因子，通過形成局部相分離分子網(wǎng)絡(luò)限制并引導Xist擴散行為，最終促進建立Xi染色質(zhì)高級拓撲結(jié)構(gòu)。
研究者發(fā)現(xiàn)，Xist可以特異捕獲HNRNPK液滴并迅速內(nèi)化，進一步通過增強液-液相分離（LLPS）能力促進局部凝聚體形成。一系列生化結(jié)合實驗結(jié)果顯示，HNRNPK與Xist的相互作用以及HNRNPK相分離依賴于RGG結(jié)構(gòu)域，且Xist的C-富集多價重復(fù)序列在調(diào)控凝聚體形成中起到關(guān)鍵作用。
圖1 RepB-HNRNPK凝聚體內(nèi)化和濃縮XCI因子
進一步研究發(fā)現(xiàn)，HNRNPK與Xist形成的凝聚體能夠內(nèi)化、捕獲并濃縮其他關(guān)鍵的XCI因子，包括YY1、RING1B、SPEN和SMCHD1。Xist的加入顯著降低了HNRNPK和XCI因子的分子擴散速度，并提高了局部濃度，促進XCI因子與Xist的結(jié)合。表明這種 LLPS 網(wǎng)絡(luò)通過減少分子擴散率和提升局部濃度，提升了Xist核糖核蛋白復(fù)合物的組裝效率，從而為XCI的穩(wěn)定發(fā)生提供了高效的體系（圖1）。
圖2 RepB-HNRNPK凝聚體潤濕行為
研究結(jié)果表明，HNRNPK凝聚體與游離的Xist之間能夠產(chǎn)生相互的牽引力并產(chǎn)生潤濕現(xiàn)象，在RNA的作用下，軟化HNRNPK-Xist共相分離液滴，表現(xiàn)為鋪展和扁平化增強的趨勢（圖2）。這些結(jié)果揭示了HNRNPK液滴與Xist RNA之間的相互作用促進了RNA以相分離通道的形式進行擴散，并通過增強液滴的形變和潤濕行為維持Xist在X染色體擴散的高效性和穩(wěn)定性。
最后，研究者通過在小鼠胚胎成纖維細胞（MEFs）和雌性小鼠胚胎干細胞（mESCs）中引入HNRNPK的LLPS缺失突變，觀察到 Xist擴散受損，并伴隨H2AK119ub1和H3K27me3標記丟失，表明Polycomb蛋白復(fù)合物（PRC1和PRC2）的富集受到破壞。ChIP-seq分析進一步證實了上述結(jié)果。在雌性mESCs的XCI發(fā)育過程中，攜帶LLPS缺失突變的細胞表現(xiàn)出類似的Xist擴散缺陷，同時伴隨核體積增大和染色質(zhì)去凝聚現(xiàn)象。CHART-seq分析表明，LLPS缺失突變突變顯著削弱了Xist在X染色體失活區(qū)域的結(jié)合，而對逃逸基因的影響較小。in situ Hi-C分析發(fā)現(xiàn)，LLPS缺失突變導致A/B compartment的“交叉”染色質(zhì)相互作用顯著減少，同時邊界更加清晰。此外，染色質(zhì)短程相互作用在LLPS 缺失突變細胞中增加，表明LLPS功能對于平衡局部與長程交互具有關(guān)鍵作用。
圖3 HNRNPK-Xist形成特化相分離，促發(fā)并維持Xist的限制性擴散與X染色體基因沉默
綜上所述，研究者發(fā)現(xiàn)了經(jīng)典長非編碼RNA-Xist通過價態(tài)依賴的互作方式與HNRNPK形成特化相分離分子網(wǎng)絡(luò)，協(xié)同內(nèi)化XCI因子，促發(fā)并維持限制性擴散行為學特征，最終實現(xiàn)物種內(nèi)部不同性別的基因計量學平衡（圖3）。
清華大學生命學院副教授李丕龍與哈佛大學醫(yī)學院教授Jeannie T. Lee為共同通訊作者。清華大學生命學院已出站博士后丁明瑞和哈佛大學醫(yī)學院博士Danni Wang為共同第一作者。該研究得到了中國科學院生物物理研究所教授婁繼忠和博士陳輝的大力支持，他們在生物力學和單分子實驗上作出了不可或缺的貢獻。哈佛大學醫(yī)學院博士殷浩、清華大學生命學院2018級博士生孫文靜和中國科學院生物物理研究所博士孫敏給予的寶貴建議和相關(guān)試劑。研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃的資助。最后感謝膜生物學國家重點實驗室、北京生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心、清華-北大生命科學聯(lián)合中心和清華大學顯微成像平臺給予的大力支持。
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https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.12.004
供稿：生命學院
編輯：徐子越
審核：黃思南
