Nature|德國科學家發現控制X染色體失活的關鍵因子

X染色體失活現象指的是在雌性哺乳動物中有一條X染色體被隨機沉默【1】。X染色體失活現象發現到現在約60年的時間裡，關於該現象的研究已有數千篇，但其中的機制仍有不甚明朗之處。

2020年2月6日，德國海德堡的歐洲分子生物學實驗室Edith Heard研究組在Nature發文題為SPEN integrates transcriptional and epigenetic control of X-inactivation，發現SPEN對於胚胎植入前的小鼠胚胎以及胚胎幹細胞中X染色體中基因沉默起始非常關鍵，揭開了SPEN調控X染色體失活的具體分子機制。

Xist是調控X染色體失活的重要lncRNA（Long non-coding RNA），前人通過多種系統性相互作用組的方式發現了與Xist相互作用的蛋白【2-4】。其中SPEN（一種轉錄抑制因子）通過與Xist中A-repeat結構域相互作用而促進基因沉默【2】。但是SPEN的具體作用機制並不清楚。為了對SPEN的在X染色體失活中的作用，作者們使用生長素誘導的降解子（Auxin-inducible degron, AID）系統控制體內SPEN蛋白的降解（圖1）【5】。使用AID系統，在對小鼠胚胎幹細胞進行生長素處理的1小時後SPEN蛋白質水平顯著降低，而移除生長素後SPEN的蛋白質水平又可以快速恢復回來，說明AID依賴的SPEN蛋白質控制非常靈敏且有效。

圖1 通過AID系統內源降解SPEN蛋白

在此基礎上，作者們在誘導Xist表達並清除SPEN之後進行了RNA-seq。作者們發現與前人的結果相一致的是，SPEN的敲除並不會影響Xist的定位【3】。然而，在沒有SPEN的情況下，整個X染色體上的基因沉默幾乎完全消失。382個X連鎖的基因中大約有80%完全依賴於SPEN調控的基因沉默。進一步地，作者們對小鼠早期胚胎發育過程進行研究後發現早期X染色體失活以及基因沉默同樣也依賴於SPEN。

那麼，SPEN是在什麼時候被招募到染色體上的呢？作者們【6】發現SPEN在X染色體失活過程中Xist開始覆蓋在X染色體上的時候就會被招募過來。通過染色體結構捕獲技術科學家們發現，失活的X染色體會被摺疊形成巨大結構域（Megadomain），除了逃逸基因之外其他拓撲結構域（Topologically associating domains, TADs）全部消失【7】。Xist RNA之前被發現與失活的X染色體結構相關【4】。但是作者們發現，在敲除SPEN之後，失活的X染色體的結構沒有明顯的變化。

總的來說，Edith Heard研究組的工作發現RNA介導招募的SPEN是X染色體失活過程中的重要調控因子。SPEN通過將轉錄機器以及其他例如組蛋白去乙醯化酶以及染色體重塑因子等調控信號通路與Xist之間相互聯繫，確保了穩健而有效的X染色體失活。

Xist招募SPEN的模式圖

原文連結：

https://doi.org/10.1038/s41586-020-1974-9

參考文獻

1. Lyon, M. F. Gene action in the X-chromosome of the mouse (Mus musculus L.).Nature190, 372-373, doi:10.1038/190372a0 (1961).

2. Chu, C. et al. Systematic discovery of Xist RNA binding proteins.Cell161, 404-416, doi:10.1016/j.cell.2015.03.025 (2015).

3. McHugh, C. A. et al. The Xist lncRNA interacts directly with SHARP to silence transcription through HDAC3.Nature521, 232-236, doi:10.1038/nature14443 (2015).

4. Minajigi, A. et al. Chromosomes. A comprehensive Xist interactome reveals cohesin repulsion and an RNA-directed chromosome conformation.Science349, doi:10.1126/science.aab2276 aab227610.1126/science.aab2276 (2015).

5 Nishimura, K., Fukagawa, T., Takisawa, H., Kakimoto, T. & Kanemaki, M. An auxin-based degron system for the rapid depletion of proteins in nonplant cells.Nat Methods6, 917-922, doi:10.1038/nmeth.1401 (2009).

6 Grimm, J. B. et al. A general method to improve fluorophores for live-cell and single-molecule microscopy.Nat Methods12, 244-250, 243 p following 250, doi:10.1038/nmeth.3256 (2015).

7 Giorgetti, L. et al. Structural organization of the inactive X chromosome in the mouse.Nature535, 575-579, doi:10.1038/nature18589 (2016).