非编码RNA Xist调节X染色体失活的分子机制

胡士斌

摘要非编码RNA Xist介导的X染色体失活是表观遗传研究的一个典范,该系统能使一整条染色体变为异染状态。从Xist与 X染色体计数、失活的选择、失活的起始和失活的维持等方面综述了其分子机制。

关键词表观遗传;非编码RNA Xist;X染色体;失活;分子机制

中图分类号Q343.2+4文献标识码A文章编号 1007-5739(2009)14-0351-01

X染色体失活是Barr M L在分析应激引起猫神经元显微结构改变时偶然发现的巴氏小体[1]。Lyon M F在1961年弄清了巴氏小体包含异染色质的X染色体,并由此认识了失活[2]。Xist介导的X染色体失活是表观遗传研究的一个典范,该系统能使一整条染色体变为异染状态。现就非编码RNA Xist调节X染色体失活的分子机制综述如下。

1Xist与X染色体的计数

二倍体卵细胞中存在一种计数机制用于感知X染色体的数量,当它的数量超过1条时,只有一条X染色体上的Xic区诱导Xist的转录表达进而使其失活;同时,另一条X染色体被保护起来。对Xic区遗传缺失研究表明,Xist的转录受Xic区的正调控和负调控,并且Xist RNA的稳定性也影响其量的积累[3]。

利用小鼠ES细胞基因敲除实验进一步研究Xic区中不同元件的功能,部分Xist的序列缺失不影响X染色体的计数,这表明对X染色体沉默有重要作用的Xist序列对染色体计数是非必需的;此外,Xist序列启动子区的缺失也不影响细胞的计数功能,表明Xist转录本身对计数是非必需的[4]。寻找卵细胞中的感受因子,以及如何介导Xist的转录表达,可能是X染色体计数机制研究的方向之一。

2Xist与X染色体失活的选择

X染色体的数量确定以后,卵细胞即启动选择机制来决定哪条染色体失活。近年用高分辨率的FISH研究证实在X染色体失活的关键时刻,2条染色体紧密接触[5]。Nico-demi等用热力学原理发现X染色体紧密接触不久,蛋白栓的组成物质开始聚集在2条X染色体的Xic区周围,两团蛋白之间开始竞争;其中一个初具模型的蛋白栓勉强获胜并达到一个能级——能够将形成2个栓的所有物质聚集为一个蛋白栓;最终的蛋白栓关闭了其所在X染色体上的Xist基因,维持了这条染色体的活性,另一条X染色体失活[6]。

3Xist与X染色体失活的起始

基于对X染色体的遗传学研究,鉴定出位于人Xq13上的一段区域对引发X失活是必要的,它因此被称为X失活中心(X inactivation center,Xic)。通过图位克隆发现人的Xist(X i-specific transcript)基因位于Xq13区带,并且只在失活的X染色体(Xi)上表达[7]。Xist基因的产物使非编码RNA,从Xic处转录并双向扩散至整个X染色体,导致异染色质化[8]。小鼠基因敲除实验证明Xist是X染色体失活必须的,从而确定了Xist作为关键调控基因的地位[9]。

对实验小鼠进行的研究揭示了Xist基因表达以发育调控的方式进行。在胞内细胞群(ICM)2条X染色体均能以低水平表达Xist,但它们仅能在转录位点积累。X失活的起始早于囊胚期,约在胚胎发育的第5天左右,这时,2个Xist等位基因的表达也出现了差别,1个位点的Xist RNA出现了高表达并且与失活X染色体顺式相连,另一个位点的Xist基因表达量仍保持低水平,带有这个位点的X染色体就成为活性X染色体[3]。即在胚胎细胞分化过程中,雌性卵细胞经历了一个低水平双等位Xist基因表达→分化双等位Xist基因表达→高水平单等位Xist基因表达的过程。

4Xist与X染色体失活的维持

卵细胞中覆盖于失活X染色体上的Xist RNA外观呈簇集颗粒状,其功能不受DNase与RNase H的影响,这表明Xist RNA并未与DNA接触。Xist RNA可能是通过使失活X染色体在S相复制起作用的,这同时导致在较晚复制的染色体上异染色质的形成[10]。Xist RNA也可能在失活X染色体的组蛋白乙酰化调节中起作用,它可以阻碍组蛋白乙酰化转移酶的作用或召集组蛋白去乙酰化酶[11]。XIST并不足以维持体细胞杂交体中X染色体的失活,同时,XIST也不是X失活的维持所必需的,在X失活的维持中起主要作用的是DNA的甲基化[12]。

对X染色体失活机制的研究将有助于增加我们对基因表达调控机理的理解,Xist介导的X染色体失活作为表观遗传研究的一个典范,Xist发挥功能的基本过程已经阐明,进一步揭示相关分子参与Xist作用的细节是接下来研究的主要方向。

5参考文献

[1] BARR M L,BERTRAM E G. A Morphological Distinction between Neurones of the Male and Female,and the Behaviour of the Nucleolar Satellite during Accelerated Nucleoprotein Synthesis[J].Nature,1949(163):676-677.

[2] LYON M F. Gene Action in the X-chromosome of the Mouse(Mus musculus L.)[J]. Nature,1961(190):372-373.

[3] PANNING B,DAUSMAN J,JAENISCH R. X-chromosome inacti-vation is mediated by Xist RNA stabilization[J].Cell,1997(90):907-916.

[4] PENNY G D,KAY G F,SHEARDOWN S A,at al. Requirement for Xist in X chromosome inactivation[J]. Nature,1996(379):131-137.

[5] XU NA,TSAI C L,LEE J T. Transient homologous chromosome pairing marks the onset of X inactivation[J]. Science,1996(311):1149-1152.

[6] NICODEMI M,PRISCO A. A symmetry breaking model for counting and choice in X-inactivation[J]. Phys Rev Lett,2007(98):104-108.

[7] BROWN C J,LAFRENIERE R G.,POWERS V E. Localization of the X inactivation centre on the human X chromosome in Xq13[J]. Nature,1991(349):82-84.

[8] HALL L L,LAWRENCE J B. The cell biology of a novel chromosomal RNA:chromosome painting by XIST/Xist RNA initiates a remodeling cascade[J]. Semin CellDev Biol,2003(14):369-378.

[9] HERZING L B,ROMER J T,HORN JM,et al. Xist has properties of the X-chromosome inactivation centre[J]. Nature,1997(386):272-275.

[10] CLEMSON C M,MCNEIL J A,WILLARD H F,at al. The Xist RNA paints the inactive X chromosome at interphase:evidence for a novel RNA involved in nuclear/chromosome structure[J]. J Cell Biology,1996(132):259-275.

[11] KEOHANE A M,ONEILL L P,BELYAEV N D,at al. X-inactivation and histone H4 acetylation in embryonic stem cells[J]. Dev Biol,1996(180):618-630.

[12] CSANKOVSZKI G,NAGY A,JAENISCH R. Synergism of Xist RNA,DNA methylation,and histone hypoacetylation in maintaining X chro-mosome inactivation[J]. J Cell Biol,2001(153):773-784.