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三色猫背后的生物学机制

编者按:
在雌性哺乳动物的体细胞中,两条X染色体中的一条总是被异染色质化而失活,这个现象称为X染色体失活。X染色体失活保证了性染色体上的基因剂量在雌性和雄性动物之间的平衡。它是许多生物学现象和疾病的生物学基础。本文简要介绍了X染色体失活的现象,基本生物学概念以及潜在机理,最后介绍了与之相关的疾病,例如X染色体数量异常和伴性遗传疾病的病理知识。本专栏由复旦大学教授于文强组织策划,邀请了国内外表观遗传学领域工作者共同完成。希望通过此专栏了解表观遗传领域近年的发展概况以及我们日常有意思的生命现象。
 
撰文 | 陆绮(美国韦恩州立大学医学院)
责编 | 叶水送
 
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养着小宠物的朋友有时会发现,自己养的小兔子、小仓鼠或者是小花猫,毛色常常有好几种颜色,各种毛色的花斑随机分布。而且它们就好像人类社会中男性常着黑白灰的素色,而女性常常衣着靓丽,花斑色的小动物性别一般是雌性。这个有趣的生物学现象背后的机制是表观遗传学中一种特殊的现象:X染色体失活。
 
X染色体失活最直观的表现可以用三色猫(Calico cat)来说明。母猫身上有可能会是花花的,既有棕色又有黄色,而公猫只有一种颜色,棕色或者黄色。决定毛色的基因只存在于X染色体上,一条X染色体只能携带一种颜色的信息。黄色和棕色是一对等位基因,也就是说,一条X染色体上带的要么是黄色毛基因,要么是棕色毛基因。一般猫的腹部都是白色的,白色是白化基因起的作用,让猫本来的颜色不能显示出来。这种白化基因并不存在于性染色体上,因而不受X染色体失活的影响。
 
对于只有一条X染色体的公猫,它的毛色要么是黄白要么是棕白。对于虽然有两条X染色体,但是毛色基因一致的雌猫,毛色也是黄白或者棕白。只有杂合体的雌猫,拥有两条X染色体,但是一条上面带的是黄色毛基因,另一条上面则是棕色毛基因。在胚胎发育的早期,已经形成了多细胞的阶段,两条X染色体要失活一条,失活的X染色体浓缩成染色较深的染色质体。有些细胞保留黄色毛基因所在的X染色体的活性,而有些细胞保留棕色毛基因所在的X染色体的活性。而且,这些细胞再分裂出来的子代细胞,都保持一样的失活程序。最后出生的小猫,身上的花斑就是这里一块是黄色那里一块是棕色,这是因为同一色的斑块实际上都来自于同一个前体细胞,并保留相同的X染色体失活的选择(图1)。
X染色体失活到底是什么情况?
 
在哺乳动物中,无论雄性还是雌性,体细胞中只有一条有活性的X染色体。在雌性体细胞内,虽然有两条X性染色体,但是为了保证X染色体上的基因表达剂量在一个合适的范围内,在胚胎发育到原肠胚的时期,体细胞中两条X染色体中的一条随机失活,这就是X染色体失活。而且,一旦这个细胞启动了对某一条X染色体的失活进程,那么这个细胞的子代细胞都会保持对同样的一条X染色体的失活。
为什么活性染色体的个数不能太多呢?唐氏综合征是一个极好的例子。唐氏综合征(Down’s syndrome)是一类遗传性疾病。这个病因的命名源自英国医生约翰·朗顿·唐(John Langdon Down)。它的病因其中之一是第21对染色体的三体现象,正常人有一对,而唐氏综合征患者有3条第21对染色体。多一条染色体可不是什么好事,唐氏综合征患者有学习障碍、智力障碍等情況。
 
剂量补偿效应是X染色体失活现象必然性的一个最为流行的假说,也得到了很多科学实验的支持。剂量补偿效应认为:X染色体上有相当多的参与生理代谢等重要功能的基因,这些基因的表达产物与其他常染色体上基因的表达产物一起协同工作。X染色体失活可以看作是维持X染色体上基因表达在雌性和雄性之间的平衡。事实上,常染色体上的等位基因也常常有一条是失活的,这是通过基因组印记(Genomic imprinting)的方式,而性染色体上是X染色体失活。
 
1932年缪勒(H. J. Muller)首先报道,在果蝇中,雄性果蝇的X染色体转录效率要比雌性的高,而转录产物最终浓度在两种性别差不多。1961年玛丽•莱昂(Mary Lyon)在哺乳动物上发现了同样的现象,并且提出了X染色体失活的概念,即在雌性动物体细胞中只有一条X染色体是有活性的,而另外一条X染色体失活成为巴氏小体(Barr body)的观点。
 
怎样保证有且只有一条X染色体失活
那么X染色体失活的机制又是什么呢?怎样保证有且只有一条X染色体失活呢?这就要谈到简妮·李(Jeannie T. Lee)的研究工作了。李是一位来自韩国的女科学家,她的工作一直聚焦于长非编码RNA的功能和X染色体失活的机制,博士工作是研究脆性X染色体综合征(Fragile X syndrome)。当她在一场报告中听到Hunt Willard实验室发现了一种长RNA表达于失活X染色体上,并有包裹本条X染色体的作用时,李敏锐地意识到这可能是X染色体失活的机制。这之后,李成功地证明了这一点。李发现了X染色体失活中心(X inactivation center, XIC)。XIC这段DNA序列在同一条X染色体上是一个顺式作用因子。XIC位点有一个基因名为Xist,Xist的表达产物为XIST RNA,长度为15kb-17kb,而且并不进一步翻译为蛋白质,Xist作为一个长非编码RNA是X染色体失活的分子基础。Tsix基因为Xist的反义基因,TSIX RNA为XIST RNA的反义RNA,对XIST RNA起负调控作用。
 
XIST RNA偏好与转录了自己的那条X染色体结合,一步步地包裹整个染色体,最终导致该染色体失活(图2)。也就是说,表达了XIST的那条X染色体会失活。XIST RNA包裹染色体的能力是自发的,将XIST RNA序列插入到常染色体上,RNA产物也会包裹一定长度的染色体,但是不能像在X染色体上那么成功,能够包裹到末端。也许是X染色体上会富集一些特殊的非编码序列,从而协助了XIST RNA的结合和包裹。也有研究认为,碱基AT富集的区域也有助于XIST RNA的包裹。XIST RNA在包裹了染色体之后,会吸引和富集已知有大约100种蛋白到X染色体上,并进一步稳定和维持X染色体失活。这种对特定染色体失活的保证还有可能是通过DNA甲基化进行的。DNA甲基化是重要的表观遗传基因修饰,参与了许多表观遗传活动。同样,在失活的X染色体上,很多区域的DNA被甲基化。
 
XIST RNA偏好与转录了自己的X染色体结合,一步步包裹整个染色体,最终导致这条染色体失活。也就是说,表达了XIST的那条X染色体会失活。XIST RNA包裹染色体的能力是自发的,将XIST RNA序列插入到常染色体上,RNA产物也会包裹一定长度的染色体,但是不能像在X染色体上那么成功,能够包裹到末端,也许是X染色体上会富集一些特殊的非编码序列,从而协助了XIST RNA的结合和包裹。也有研究认为AT富集的区域也有助于XIST RNA的包裹。XIST RNA在包裹了染色体之后,会吸引和富集已知有大约100种蛋白到X染色体上,并进一步稳定和维持X染色体失活。这种对特定染色体失活的保证有可能是通过DNA甲基化进行的。DNA甲基化是重要的表观遗传基因修饰,参与了许多表观遗传活动。同样在失活的X染色体上,很多区域的DNA被甲基化。
 
 
X染色体异常与哪些疾病有关
 
事实上,长长的X染色体上有大约1000种功能基因,它们中的很多都是参与了重要生理功能的基因。因此,将失活的X染色体重新激活,是一种非常有前景的治疗伴性遗传疾病的思路。如果致病基因在性染色体上,就是伴性遗传疾病。对于男性个体来说,其性染色体上的基因座位都是半合子,由此导致其座位上基因的显隐性与常染色体上显隐性的表现形式的差异。也就是说,如果X染色体上带有隐形致病基因,在女性身上可能就不发病,但是对于男性来说就可致病。血友病、红绿色盲都是伴性遗传疾病,甚至有些癌症的病因也和X染色体失活失调有关。
 
Xist RNA在X染色体上的不同区域富集了不同种类的蛋白,如果针对某个特定基因周围的特定抑制蛋白,将抑制作用移除,则可以使该区域的基因表达,从而治疗由于等位基因病变导致的伴性遗传疾病。
 
血友病的发生是由于血液中缺乏凝血因子。因为凝血因子的基因编码在X染色体上,所以这是一种伴性遗传的疾病。一般来说,基因型为杂合子的女性不会发病,因为血友病是隐性遗传的疾病。但是,在部分重型血友病女性患者中,由于合成凝血因子的组织是肝脏,如果在肝脏组织中,刚好携带正常凝血因子编码基因的X染色体不巧被失活了,那么就会发生杂合子基因型的女性血友病患者。
 
此外,如果来源于父母一方的基因拷贝是没有活性的,那么表达这个功能蛋白的器官,在女孩子身上是个杂合体,有些细胞有这个活性功能蛋白,有些细胞没有。如果本体移植一些有活性的细胞到非活性区域,是否可以扩大有活性的组织量,以及是不是可以在量化上提高这个器官的功能总量呢?而如果是男性,就没有这个备份了。如果不巧功能蛋白编码是在X染色体上,就只能异体移植。
 
X染色体数量异常会引发异常发育吗
 
X染色体数量异常有好几种表现形式。例如染色体组型为XXY的克氏综合征(Klinefelter's syndrome),染色体组型为XXX的X三体(XXX)和染色体组型为XO的特纳氏综合征(Turner syndrome,简称TS)。这几种病症都是由于遗传物质X染色体的异常而都表现为发育异常的例子。
 
克氏综合征患者的性染色体组型为XXY,主要特征为不育。有些患者外生殖器偏小,出现乳房发育。这些症状通常在青春期时显现。智力发展与一般人无异,但有些患者语言功能有困难。如果X染色体数量更多,则病症更明显。
 
X三体病是一种女性的性染色体遗传病。患者比一般人多了一条X性染色体。与XXY患者不同的是,X三体的患者外观正常,能正常发育成熟,并有生育能力。特纳氏综合征也被称作Ullrich-Turner氏症候群(Ullrich Turner syndrome),是X染色体部分或完全缺失而引发的疾病。特纳氏综合征的性染色体组成为XO。在很多组织中,实际上特纳氏综合征患者是嵌合体,即有些部分是正常的,而有些部分是因为完全没有X性染色体而异常。特纳氏综合征患者的身体发育有明显的异常。例如:短粗的颈部,颈后发际线较低,身材矮小和出生时手脚水肿。特纳氏综合征患者没有月经、乳房不发育而且不孕,且患有先天性心脏病、糖尿病以及甲状腺功能低下的风险率较高。大部分患者智力水平正常,但是空间想象能力较差,视觉和听觉系统患病风险率也较高。
 
值得一提的是,以上提到的无论是基因型为XO、XXY、XXX,甚至更多X染色体存在于细胞内,都是只有一条X染色体有活性。
 
失活X染色体上的漏网之鱼
 
虽然有一条X染色体失活了,但是失活X染色体中的基因序列对XIST的抑制作用的响应能力是不同的,有的时候会发生逃逸现象,也就是指在失活X染色体上的基因序列,却表达了基因产物。基因逃逸现象并不是一个病态过程,事实上15%的人类和3%的小鼠X染色体基因,都会发现基因逃逸现象。
 
逃逸的基因序列往往存在于X性染色体上的伪常染色体区(pseudo autosomal region,PAR)。PAR区域内的序列通常不经历X染色体失活。例如,在同源配对时与Y染色体相配对的非假基因座基因是逃避X染色体失活的,因此在男性和女性体细胞组织中具有两个表达的等位基因。尽管如此,许多逃避基因已经失去它们的在Y染色体上的等位基因,对于这些基因,它们在雌性中具有更高的表达。虽然失活的X染色体上的逃逸基因可能表达量只有另一条上的10%,但是这一点不同很可能引起不同性别间的表型差异。
 
此外,基因逃逸现象在发育的不同阶段逃逸程度是不同的,有些基因在早期是沉默的,但是当衰老以后,又会表达出来。另外,也有科学家认为,失活X染色体上的逃逸基因表达对于导致脑功能上的性别差异可能具有重要的意义。很多X染色体上的基因与大脑的发育和功能相关,如果这些基因的过量表达很可能导致一些神经疾病的病程的性别差异。
 
失活X染色体上的逃逸基因表达,不但可能是性别差异的表观遗传学基础,在同一女性性别内,由于组织的嵌合体失活状态,也增加了基因功能表达结果的多样性。比如,同卵双胞胎中,女性双胞胎的相似性就要远远小于男性双胞胎的相似性。逃逸基因表达在X染色体数量异常的疾病上将导致更加严重的后果,比如在克氏综合征和X三体症中,将有可能存在更大剂量的逃逸基因,而使病理结果更加严重。基因逃逸,也被认为与衰老过程相关。在加速老化的小鼠模型中发现了失活X染色体上的逃逸基因表达量升高。虽然目前还没有人类的数据,但是环境因素诱导的逃逸基因表达,可能是加速衰老的一种原因。
 
结语
 
X染色体失活和基因组印迹等表观遗传学现象明显与人类的健康和疾病有重大关系。然而,目前在预防、诊断和药物研发过程中,很少侧重于考量X染色体失活的现象。在基础生物医药研究中,X染色体失活的现象也常常未得到重视。可以预见的是,将沉默的等位基因去抑制,以及精密调制基因表达,或者通过X染色体失活的机制来抑制致病基因的表达,将对科研和临床治疗提供全新的思路和方法。
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