三色貓背後的生物學機制 表觀專欄

2017-06-28 陸綺 知識分子

編者按：

在雌性哺乳動物的體細胞中，兩條X染色體中的一條總是被異染色質化而失活，這個現象稱為X染色體失活。X染色體失活保證了性染色體上的基因劑量在雌性和雄性動物之間的平衡。它是許多生物學現象和疾病的生物學基礎。本文簡要介紹了X染色體失活的現象，基本生物學概念以及潛在機理，最後介紹了與之相關的疾病，例如X染色體數量異常和伴性遺傳疾病的病理知識。本專欄由復旦大學教授於文強組織策劃，邀請了國內外表觀遺傳學領域工作者共同完成。希望通過此專欄了解表觀遺傳領域近年的發展概況以及我們日常有意思的生命現象。

撰文 | 陸綺（美國韋恩州立大學醫學院）

責編 | 葉水送

《知識分子》微信公眾號：The-Intellectual

養著小寵物的朋友有時會發現，自己養的小兔子、小倉鼠或者是小花貓，毛色常常有好幾種顏色，各種毛色的花斑隨機分布。而且它們就好像人類社會中男性常著黑白灰的素色，而女性常常衣著靚麗，花斑色的小動物性別一般是雌性。這個有趣的生物學現象背後的機制是表觀遺傳學中一種特殊的現象：X染色體失活。

X染色體失活最直觀的表現可以用三色貓（Calico cat）來說明。母貓身上有可能會是花花的，既有棕色又有黃色，而公貓只有一種顏色，棕色或者黃色。決定毛色的基因只存在於X染色體上，一條X染色體只能攜帶一種顏色的信息。黃色和棕色是一對等位基因，也就是說，一條X染色體上帶的要麼是黃色毛基因，要麼是棕色毛基因。一般貓的腹部都是白色的，白色是白化基因起的作用，讓貓本來的顏色不能顯示出來。這種白化基因並不存在於性染色體上，因而不受X染色體失活的影響。

對於只有一條X染色體的公貓，它的毛色要麼是黃白要麼是棕白。對於雖然有兩條X染色體，但是毛色基因一致的雌貓，毛色也是黃白或者棕白。只有雜合體的雌貓，擁有兩條X染色體，但是一條上面帶的是黃色毛基因，另一條上面則是棕色毛基因。在胚胎髮育的早期，已經形成了多細胞的階段，兩條X染色體要失活一條，失活的X染色體濃縮成染色較深的染色質體。有些細胞保留黃色毛基因所在的X染色體的活性，而有些細胞保留棕色毛基因所在的X染色體的活性。而且，這些細胞再分裂出來的子代細胞，都保持一樣的失活程序。最後出生的小貓，身上的花斑就是這裡一塊是黃色那裡一塊是棕色，這是因為同一色的斑塊實際上都來自於同一個前體細胞，並保留相同的X染色體失活的選擇（圖1）。

圖1：以三色貓（Calico cat）舉例：雌性的性染色體是XX，我們把它標上顏色，就是XX。雄性的性染色體是XY，同樣我來標個顏色XY。這樣他們的後代的體細胞的組合是如下的：母親（XX）和父親（XY）的後代：雌性子代的體細胞有兩種組合（XX）與（XX）。而雄性子代的體細胞是（XY）或者是（XY）。接下來，我們假設雌性子代的體細胞中X染色體構成為雜合子（XX）。由於在體細胞內，這兩個X性染色體有一個是失活的，這一個高度摺疊濃縮、不表達蛋白的異染色體。那麼體細胞中，雌性子代有些體細胞表達（X-）而有些體細胞表達（-X）。所以實際上，雌性子代是一個嵌合體（mosaic）。組織中的蛋白表達譜是有差異的，這一塊組織表達（X-），另外一塊組織表達（-X）。在體細胞中，來自父本和母本的X染色體失活的機率應當是一樣的。因此從概率上來說，三色貓身體上的不同顏色的花斑皮膚面積應當是大致相同的。當然三色貓的顏色是黃棕白色的，圖中用紅色和綠色來表示是為了易於區分。三色貓圖片來源於：pinimg.com

X染色體失活到底是什麼情況

在哺乳動物中，無論雄性還是雌性，體細胞中只有一條有活性的X染色體。在雌性體細胞內，雖然有兩條X性染色體，但是為了保證X染色體上的基因表達劑量在一個合適的範圍內，在胚胎髮育到原腸胚的時期，體細胞中兩條X染色體中的一條隨機失活，這就是X染色體失活。而且，一旦這個細胞啟動了對某一條X染色體的失活進程，那麼這個細胞的子代細胞都會保持對同樣的一條X染色體的失活。

唐氏綜合征患者的染色體型（紅色圈中多了一條染色體）以及表型特徵，圖片來自mun.ca

為什麼活性染色體的個數不能太多呢？唐氏綜合征是一個極好的例子。唐氏綜合征（Down』s syndrome）是一類遺傳性疾病。這個病因的命名源自英國醫生約翰?朗頓?唐（John Langdon Down）。它的病因其中之一是第21對染色體的三體現象，正常人有一對，而唐氏綜合征患者有3條第21對染色體。多一條染色體可不是什麼好事，唐氏綜合征患者有學習障礙、智力障礙等情況。

劑量補償效應是X染色體失活現象必然性的一個最為流行的假說，也得到了很多科學實驗的支持。劑量補償效應認為：X染色體上有相當多的參與生理代謝等重要功能的基因，這些基因的表達產物與其他常染色體上基因的表達產物一起協同工作。X染色體失活可以看作是維持X染色體上基因表達在雌性和雄性之間的平衡。事實上，常染色體上的等位基因也常常有一條是失活的，這是通過基因組印記（Genomic imprinting）的方式，而性染色體上是X染色體失活。

1932年繆勒（H. J. Muller）首先報道，在果蠅中，雄性果蠅的X染色體轉錄效率要比雌性的高，而轉錄產物最終濃度在兩種性別差不多。1961年瑪麗?萊昂（Mary Lyon）在哺乳動物上發現了同樣的現象，並且提出了X染色體失活的概念，即在雌性動物體細胞中只有一條X染色體是有活性的，而另外一條X染色體失活成為巴氏小體（Barr body）的觀點。

怎樣保證有且只有一條X染色體失活

簡妮?李發現了X染色體失活中心，圖片來自FRAXA Research Foundation

那麼X染色體失活的機制又是什麼呢？怎樣保證有且只有一條X染色體失活呢？這就要談到簡妮?李（Jeannie T. Lee）的研究工作了。李是一位來自韓國的女科學家，她的工作一直聚焦於長非編碼RNA的功能和X染色體失活的機制，博士工作是研究脆性X染色體綜合征（Fragile X syndrome）。當她在一場報告中聽到Hunt Willard實驗室發現了一種長RNA表達於失活X染色體上，並有包裹本條X染色體的作用時，李敏銳地意識到這可能是X染色體失活的機制。這之後，李成功地證明了這一點。李發現了X染色體失活中心（X inactivation center, XIC）。XIC這段DNA序列在同一條X染色體上是一個順式作用因子。XIC位點有一個基因名為Xist，Xist的表達產物為XIST RNA，長度為15kb-17kb，而且並不進一步翻譯為蛋白質，Xist作為一個長非編碼RNA是X染色體失活的分子基礎。Tsix基因為Xist的反義基因，TSIX RNA為XIST RNA的反義RNA，對XIST RNA起負調控作用。

XIST RNA偏好與轉錄了自己的那條X染色體結合，一步步地包裹整個染色體，最終導致該染色體失活（圖2）。也就是說，表達了XIST的那條X染色體會失活。XIST RNA包裹染色體的能力是自發的，將XIST RNA序列插入到常染色體上，RNA產物也會包裹一定長度的染色體，但是不能像在X染色體上那麼成功，能夠包裹到末端。也許是X染色體上會富集一些特殊的非編碼序列，從而協助了XIST RNA的結合和包裹。也有研究認為，鹼基AT富集的區域也有助於XIST RNA的包裹。XIST RNA在包裹了染色體之後，會吸引和富集已知有大約100種蛋白到X染色體上，並進一步穩定和維持X染色體失活。這種對特定染色體失活的保證還有可能是通過DNA甲基化進行的。DNA甲基化是重要的表觀遺傳基因修飾，參與了許多表觀遺傳活動。同樣，在失活的X染色體上，很多區域的DNA被甲基化。

XIST RNA偏好與轉錄了自己的X染色體結合，一步步包裹整個染色體，最終導致這條染色體失活。也就是說，表達了XIST的那條X染色體會失活。XIST RNA包裹染色體的能力是自發的，將XIST RNA序列插入到常染色體上，RNA產物也會包裹一定長度的染色體，但是不能像在X染色體上那麼成功，能夠包裹到末端，也許是X染色體上會富集一些特殊的非編碼序列，從而協助了XIST RNA的結合和包裹。也有研究認為AT富集的區域也有助於XIST RNA的包裹。XIST RNA在包裹了染色體之後，會吸引和富集已知有大約100種蛋白到X染色體上，並進一步穩定和維持X染色體失活。這種對特定染色體失活的保證有可能是通過DNA甲基化進行的。DNA甲基化是重要的表觀遺傳基因修飾，參與了許多表觀遺傳活動。同樣在失活的X染色體上，很多區域的DNA被甲基化。

X染色體失活的過程。穩定的轉染沉默的失活的X染色體（Xi）是通過一系列步驟過程實現。（1）首先，稱為X染色體失活中心（XIC）的X染色體上的基因是『計數』，必須存在至少兩個拷貝的XIC，失活才能發生。計數過程確保一個X染色體在二倍體細胞中保持活性。（2）兩個X染色體轉錄XIST RNA，這是X染色體失活所必需的。通過TSIX RNA的不對稱表達來確定哪個X染色體失活，相反的鏈需要TSIX轉錄，與XIST RNA結合只存在於未來的活性X染色體（Xa）中。相反，XIST RNA積累在未來的Xi染色體是需要TSIX RNA的轉錄被抑制的。（3）X染色體失活的啟動由XIST RNA在未來Xi上的穩定化介導，而不穩定的XIST RNA降解後，Xa染色體上的等位基因隨後開始轉錄。（4）穩定的XIST RNA在染色體上以順式擴散表達。（5）XIST RNA為促進的組蛋白修飾序列提供了結合位點，幫助異染色質形成，最終導致轉錄沉默和確保X染色體失活的維持。（圖片參考文獻為Spatzaet.al.,2004）

X染色體異常與哪些疾病有關

事實上，長長的X染色體上有大約1000種功能基因，它們中的很多都是參與了重要生理功能的基因。因此，將失活的X染色體重新激活，是一種非常有前景的治療伴性遺傳疾病的思路。如果致病基因在性染色體上，就是伴性遺傳疾病。對於男性個體來說，其性染色體上的基因座位都是半合子，由此導致其座位上基因的顯隱性與常染色體上顯隱性的表現形式的差異。也就是說，如果X染色體上帶有隱形致病基因，在女性身上可能就不發病，但是對於男性來說就可致病。血友病、紅綠色盲都是伴性遺傳疾病，甚至有些癌症的病因也和X染色體失活失調有關。

Xist RNA在X染色體上的不同區域富集了不同種類的蛋白，如果針對某個特定基因周圍的特定抑制蛋白，將抑制作用移除，則可以使該區域的基因表達，從而治療由於等位基因病變導致的伴性遺傳疾病。

血友病的發生是由於血液中缺乏凝血因子。因為凝血因子的基因編碼在X染色體上，所以這是一種伴性遺傳的疾病。一般來說，基因型為雜合子的女性不會發病，因為血友病是隱性遺傳的疾病。但是，在部分重型血友病女性患者中，由於合成凝血因子的組織是肝臟，如果在肝臟組織中，剛好攜帶正常凝血因子編碼基因的X染色體不巧被失活了，那麼就會發生雜合子基因型的女性血友病患者。

此外，如果來源於父母一方的基因拷貝是沒有活性的，那麼表達這個功能蛋白的器官，在女孩子身上是個雜合體，有些細胞有這個活性功能蛋白，有些細胞沒有。如果本體移植一些有活性的細胞到非活性區域，是否可以擴大有活性的組織量，以及是不是可以在量化上提高這個器官的功能總量呢？而如果是男性，就沒有這個備份了。如果不巧功能蛋白編碼是在X染色體上，就只能異體移植。

X染色體數量異常會引發異常發育么

X染色體數量異常有好幾種表現形式。例如染色體組型為XXY的克氏綜合征（Klinefelter"s syndrome），染色體組型為XXX的X三體(XXX)和染色體組型為XO的特納氏綜合征（Turner syndrome，簡稱TS）。這幾種病症都是由於遺傳物質X染色體的異常而都表現為發育異常的例子。

克氏綜合征患者的性染色體組型為XXY，主要特徵為不育。有些患者外生殖器偏小，出現乳房發育。這些癥狀通常在青春期時顯現。智力發展與一般人無異，但有些患者語言功能有困難。如果X染色體數量更多，則病症更明顯。

X三體病是一種女性的性染色體遺傳病。患者比一般人多了一條X性染色體。與XXY患者不同的是，X三體的患者外觀正常，能正常發育成熟，並有生育能力。特納氏綜合征也被稱作Ullrich-Turner氏症候群（UllrichTurner syndrome），是X染色體部分或完全缺失而引發的疾病。特納氏綜合征的性染色體組成為XO。在很多組織中，實際上特納氏綜合征患者是嵌合體，即有些部分是正常的，而有些部分是因為完全沒有X性染色體而異常。特納氏綜合征患者的身體發育有明顯的異常。例如：短粗的頸部，頸後髮際線較低，身材矮小和出生時手腳水腫。特納氏綜合征患者沒有月經、乳房不發育而且不孕，且患有先天性心臟病、糖尿病以及甲狀腺功能低下的風險率較高。大部分患者智力水平正常，但是空間想像能力較差，視覺和聽覺系統患病風險率也較高。

值得一提的是，以上提到的無論是基因型為XO、XXY、XXX，甚至更多X染色體存在於細胞內，都是只有一條X染色體有活性。

失活X染色體上的漏網之魚

雖然有一條X染色體失活了，但是失活X染色體中的基因序列對XIST的抑制作用的響應能力是不同的，有的時候會發生逃逸現象，也就是指在失活X染色體上的基因序列，卻表達了基因產物。基因逃逸現象並不是一個病態過程，事實上15%的人類和3%的小鼠X染色體基因，都會發現基因逃逸現象。

逃逸的基因序列往往存在於X性染色體上的偽常染色體區（pseudo autosomal region，PAR）。PAR區域內的序列通常不經歷X染色體失活。例如，在同源配對時與Y染色體相配對的非假基因座基因是逃避X染色體失活的，因此在男性和女性體細胞組織中具有兩個表達的等位基因。儘管如此，許多逃避基因已經失去它們的在Y染色體上的等位基因，對於這些基因，它們在雌性中具有更高的表達。雖然失活的X染色體上的逃逸基因可能表達量只有另一條上的10%，但是這一點不同很可能引起不同性別間的表型差異。

此外，基因逃逸現象在發育的不同階段逃逸程度是不同的，有些基因在早期是沉默的，但是當衰老以後，又會表達出來。另外，也有科學家認為，失活X染色體上的逃逸基因表達對於導致腦功能上的性別差異可能具有重要的意義。很多X染色體上的基因與大腦的發育和功能相關，如果這些基因的過量表達很可能導致一些神經疾病的病程的性別差異。

失活X染色體上的逃逸基因表達，不但可能是性別差異的表觀遺傳學基礎，在同一女性性別內，由於組織的嵌合體失活狀態，也增加了基因功能表達結果的多樣性。比如，同卵雙胞胎中，女性雙胞胎的相似性就要遠遠小於男性雙胞胎的相似性。逃逸基因表達在X染色體數量異常的疾病上將導致更加嚴重的後果，比如在克氏綜合征和X三體症中，將有可能存在更大劑量的逃逸基因，而使病理結果更加嚴重。基因逃逸，也被認為與衰老過程相關。在加速老化的小鼠模型中發現了失活X染色體上的逃逸基因表達量升高。雖然目前還沒有人類的數據，但是環境因素誘導的逃逸基因表達，可能是加速衰老的一種原因。

結語

X染色體失活和基因組印跡等表觀遺傳學現象明顯與人類的健康和疾病有重大關係。然而，目前在預防、診斷和藥物研發過程中，很少側重於考量X染色體失活的現象。在基礎生物醫藥研究中，X染色體失活的現象也常常未得到重視。可以預見的是，將沉默的等位基因去抑制，以及精密調製基因表達，或者通過X染色體失活的機制來抑制致病基因的表達，將對科研和臨床治療提供全新的思路和方法。

製版編輯：常春藤丨

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