基因科普:沉默的第二条X染色体
今日头条 作者:原理 发布时间:2020-02-14 浏览次数:25
基因科普:沉默的第二条X染色体
雌性哺乳动物有两条X染色体(XX),而雄性只有一条X染色体,另一条是Y染色体(XY)。这种不同会导致一种潜在的失衡,相比于雄性,雌性体内的X染色体会有1000多个基因以两倍量表达。已有证据表明这种失衡会导致早期胚胎死亡。

神奇的是,为了避免这种会造成严重后果的基因表达失衡,哺乳动物进化出了一种有效的解决方案:在每个具有两条X染色体的细胞中,都有一条完整的X染色体被“沉默”,从而防止了RNA从其中转录出来。这个过程被称为X染色体失活,是一个在雌性胚胎发育的早期就会开始的过程。


虽然X染色体失活是一个已经被深入研究了几十年的课题,但一直以来,科学家并不完全了解其背后的分子机制。他们知道的是,这一过程受到一种名为Xist的分子启动。Xist是一种长链的非编码RNA,是一种以细胞的DNA为模板的分子,它不携带任何制造蛋白质的指令。Xist会将染色体包裹,诱导其沉默。然而,科学家尚不清楚与Xist的沉默机制有关的细节。


直到最近,来自欧洲分子生物学实验室(EMBL)和巴黎居里研究所的研究人员在《自然》期刊上发表了一篇论文,报道了他们用一系列实验揭示了Xist是如何通过一种名为SPEN的蛋白质共同作用以使基因沉默的。这一研究为X染色体失活的分子基础提供了重要的新见解。


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Xist是一种只会在将要失活的X染色体上才被表达的分子。它在将要失活的X染色体上局部扩散,并通过与一系列蛋白质结合使得染色体上的几乎每个基因沉默。但是一直以来,Xist导致基因沉默的确切分子机制一直是个谜。


Xist最初究竟是如何开始抑制第一个活性基因的?解答这一问题的难点部分在于大多数与Xist结合的蛋白质都是未知的。在新的研究中,论文的第一作者François Dossin与他的同事识别出在X染色体失活过程中,Xist必须与SPEN蛋白质结合。

 
沉默的第二条X染色体
○ 活细胞中的SPEN蛋白质(绿色)。 | 图片来源:François Dossin


为了研究SPEN在X染色体失活中所起到的作用,Dossin等人研究了它是如何在小鼠胚胎和胚胎干细胞中诱导基因沉默的。他们首先做的是快速降解小鼠胚胎干细胞中的SPEN,以降低SPEN的浓度。他们发现,Xist几乎完全不能在没有SPEN的情况下使X染色体上的基因沉默。这一结果首次证明,SPEN是小鼠体内发生X染色体失活的必要条件。他们还发现,SPEN会抑制X染色体上的那些试图“规避”失活的“潜逃”基因。


通过在活细胞中用荧光标记分子,研究人员观测到一旦Xist开始启动X染色体失活过程,SPEN就会聚集到X染色体上。接着,Xist会与聚集在那里的SPEN结合。然后,SPEN会与活跃基因的调控区域相互作用。


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在这次研究中,尤为令人眼前一亮的是,Dossin等人采用了一种叫新的名为“CUT&RUN”的技术来绘制SPEN在失活的X染色体上的位置。这表明,在Xist开始表达后不久,SPEN就与活跃的基因启动子和基因强化子结合。当在基因沉默发生之后,SPEN就会从这些位点脱离。自此之后,基因在剩余的细胞生命周期中,将一直以失活的状态存在。


利用一系列经典和前沿的方法,研究人员剖析了SPEN在X染色体失活过程中所起到的作用。他们发现,在SPEN蛋白质中,一个名为SPOC的区域在基因沉默中起着主导作用。他们证实了这个区域能抑制DNA转录成RNA,并与几种参与了RNA合成、染色质重构以及染色质修饰的蛋白质相互作用。


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几十年来,Xist一直是RNA在调节基因表达方面的一个主要例子。通过研究这种RNA,研究人员或许已经发现了一个新的与基因调控有关的基本信息。领导了这项研究的Edith Heard教授表示,对X染色体失活背后所有分子机制的探索才刚刚开始,她说:“我们发现,SPEN会与几个与基因沉默相关的路径相互作用。既然SPEN导致了X染色体失活过程中几乎所有的沉默,因此下一个要解决的问题就是,这些路径中有多少能有助于基因沉默。”

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