2020年2月24日 訊 /生物谷BIOON/ --雌性哺乳動物有兩條X染色體，而雄性哺乳動物只有一條X染色體，因此有機體會進化出一種顯著的解決方案，從而防止兩性在基因表達之間出現嚴重失衡，即在每一個擁有兩條X染色體的細胞中，一個完整的X染色體都會被沉默從而抑制RNA進行轉錄；這個過程被稱為X染色體失活（XCI，X-chromosome inactivation），其在雌性胚胎發育的早期就已經開始了，一旦完成，X染色體失活就會在整個生命階段保持穩定狀態，因此，通過不斷擴展，一個人的X染色體就可以在沉默狀態下傳播100多年。
圖片來源：Dossin, F. et al. Nature 578, 455–460 (2020).
X染色體失活是有機體表觀遺傳過程的典範，表觀遺傳學修飾即時對DNA及相關蛋白質進行修飾來改變基因的表達，該過程曾被科學家們研究了數年；在過去25年裡，研究人員重點對一種名為Xist的非編碼RNA（lncRNA）進行研究，其能夠調節XCI，然而研究人員並不清楚Xist沉默機制背後的分子機制；近日，Dossin等人在Nature雜誌上刊文表示，他們進行了一系列實驗揭示了Xist是如何通過與一種稱之為SPEN的蛋白質聯合來沉默基因的表達。
Xist只會在即將被失活的X染色體上進行表達，其能通過與其它一系列蛋白質進行結合，在幾步擴散並沉默染色體上幾乎每一個基因的表達；比如，Xist能利用多梳蛋白（Polycomb）複合體來維持失活X染色體上的基因沉默，多梳蛋白複合體能對將DNA壓縮成為染色體的組蛋白進行修飾，儘管這一維持功能已經被充分證明，但Xist最初是如何抑制基因活性的仍然是一個謎，部分原因是因為Xist的大多數蛋白質夥伴都是未知的；2015年，研究人員進行了一系列研究揭示了參與XCI過程的一套全面的蛋白質，這些篩選性研究均認為SPEN能作為對XCI非常必要的一種Xist結合蛋白。
SPEN屬於在進化上保守的RNA結合蛋白家族，該蛋白家族能夠參與動物和植物體內的基因轉錄沉默及RNA加工過程，為了闡明SPEN在XCI過程中所扮演的關鍵角色，研究者Dossin等人首次利用名為生長誘導降解決定子（auxin-inducible degron）的生物性系統來快速降解小鼠胚胎幹細胞中的SPEN，這與2019年研究者所報導的一致，研究者觀察到，在缺失SPEN的情況下，Xist幾乎完全不能使X染色體上的基因發生沉默。SPEN對於小鼠體內成功的XCI至關重要，同時SPEN也能被用來抑制沉默的X染色體上部分逃逸基因的表達。
通過觀察活體細胞中螢光標記的分子，研究人員發現，當Xist開始在XCI開端進行表達時，SPEN就能被招募到X染色體中，SPEN在其胺基酸末端包含四種RNA結合蛋白（RRMs），在其羧基端包含一個進化保守的SPOC結構域；儘管RRMs 2-4需要與Xist結合，但SPOC結構域卻是基因沉默的必要介導子，驅動Xist和SPOC結構域之間的相互作用或許就足以恢復缺失SPEN的細胞中的XCI。
有研究者認為，SPEN能通過募集或局部激活HDAC3酶來賦予Xist基因沉默的能力，HDAC3能從組蛋白中移除激活基因的乙醯基基團，但HDAC3僅在XCI早期階段佔到了基因沉默的一部分，為了找到SPEN可能引發沉默的其它機制，研究人員利用質譜技術鑑定了能與SPOC結構域相互作用的特殊蛋白質。
研究人員證實了此前的研究結果，他們發現，SPEN的SPOC結構域不僅能與HDAC3相互作用，而且還能與相關的共抑制蛋白NCOR1和NCOR2（也成為了SMRT）、核小體重塑和脫胰腺酶（NuRD）複合體發生相互作用，所有這些都是表觀遺傳沉默子；此外，研究者還觀察到，SPOC結構域還能與用來進行轉錄和剪接的部分「機器」進行相互作用，包括RNA聚合酶II等；如今研究人員已經鑑別出了N6-甲基腺苷（m6A）甲基轉移酶複合體組分之間的相互作用，其中一些與XCI過程直接相關；因此，SPEN及其相關蛋白或能像分子多重工具一樣在多種遺傳背景下沉默基因的表達，儘管SPEN的許多沉默功能都可能來自於其與已知的表觀遺傳沉默因子之間的相互作用，但其與轉錄和RNA加工機制之間的練習或許也為理解SPEN如何通過其它尚未確定的機制來沉默基因的表達留下了一定的可能性。
研究者Dossin等人採用了一種名為CUT&RUN的技術來對失活X染色體上SPEN的位置進行圖譜繪製，當Xist開始表達後不久，SPEN就會與活躍基因啟動子和增強子開始關聯，但當轉錄被沉默後期就會從這些位點分離，這些研究發現表明，SPEN能作為系統的一部分，而該系統會在XCI開始時將沉默機器招募到轉錄活性的調節元件中。無論該機制是否需要經過染色質修飾，未來研究人員都需要解決RNA聚合酶II、活性轉錄RNA或其它因素的問題，另一個需要研究的問題就是，為何Xist不能被SPEN所沉默，因為在Xist基因上積累了大量的SPEN。
SPEN能結合到Xist RNA上稱之為重複A（Repeat A）的區域上，後者是開啟基因沉默所必須的，由於剔除SPEN基因在很大程度上能夠反映剔除Repeat A的效應，所以SPEN似乎是大部分Repeat A沉默的原因。然而，Repeat A能夠結合其它蛋白，包括正常情況下能促進剪接的蛋白質、RBM15和RBM15B等；確定這些蛋白如何與SPEN競爭或協同來啟動基因的沉默至關重要，此外，Repeat A的剔除會明顯降低Xsit RNA自身的水平，在某些情況下，SPEN的剔除會降低Xist的水平，但Repeat A如何產生Xist，以及其在與開啟沉默能力相關的Xist的產生上扮演著什麼樣的角色，或許後期還需要研究人員進行深入研究才能夠闡明。
很多年來，Xist能作為一個典範，即在調節基因表達的RNA中扮演著關鍵角色，值得注意的是，Xist是能夠參與多梳蛋白介導的基因沉默的首個哺乳動物的RNAs，通過對這種RNA的研究，研究者Dossin等人或許就能揭開關於基因調節機制新的一面，即通過RNAs或蛋白質將SPEN短暫招募到調節元件中，這或許就能作為哺乳動物基因組中一種沉默基因轉錄的通用機制。（生物谷Bioon.com）
參考資料：
Jackson B. Trotman & J. Mauro Calabrese. How to silence an X chromosome, Nature 578, 365-366 (2020) doi:10.1038/d41586-020-00207-0