撰文 | 鹹姐

“萬物皆有毒，某些東西不具有毒性只是因為劑量尚未達到。”這句話出自現代科學先驅之一、毒理學之父帕拉塞爾蘇斯（Paracelsus,1493—1541），他以此描述了一個基本原理，不僅適用於毒理學領域，同樣適用於闡釋細胞如何控制基因表達的劑量。雖然二倍體生物通常能夠應對單個基因複製數的變化，但這並不適用於基因組的大部分，比如整個染色體。

例如，在人類發育過程中，非整倍體通常會導致流產，就是有幸存者也會表現出先天缺陷，如發育異常和智力低下。同時，這些極少數存活下來的非整倍體嬰兒（0.3%），要麼是基因數量最少的4種染色體——Y染色體（344個基因）、21號染色體（386個基因）、18號染色體（480個基因）或13號染色體（611個基因）數量異常，要麼就是基因相對豐富的X染色體（1529個基因）數量異常。此外，與常染色體非整倍體相比，X染色體非整倍體，如XO型女性（Turner綜合徵）或XXY男性（Klinefelter綜合徵），表現出的表型要明顯溫和許多【1】。

那麼是什麼將X染色體與常染色體區別開，以至於它的異常數量有時可被容忍呢？畢竟X染色體的基因含量很高。答案或許可以從哺乳動物和其他有機體為了使性染色體組成不平衡的兩性之間的性染色體連鎖基因表達平衡而進化出的不同劑量補償機制中找到【1】。

X染色體上基因的劑量補償是一個重要的表觀遺傳事件，而X染色體失活（XCI）被認為是一種在有袋類和胎盤類哺乳動物中實現劑量補償的進化，可作為一種平衡XX和XY個體間X連鎖基因表達的方法。目前我們關於XCI機制的大部分知識都來自小鼠，尤其是體外的雌性幹細胞。

在小鼠中，XCI在發育早期建立，首先以印記形式存在，然後在原始多能外胚層細胞中短暫啟用後，透過沉默母系或父系X染色體的隨機形式存在。從分子水平來看，XCI是由長鏈非編碼RNA（lncRNA）XIST介導的，它包裹在順式X染色體上，在X染色體區域上建立並維持沉默。一旦建立，XCI在雌性體細胞中就能穩定維持。但是，在雌性小鼠原始生殖細胞（mPGC）中，失活的X染色體（Xi）可以被重新啟用，這一點與整體表觀遺傳重程式設計是一致的【2,3】。

儘管XIST和XCI在胎盤哺乳動物中是保守的，但現如今人們意識到其實並沒有證據表明在人類著床前胚胎中存在XCI的印記形式。此外，研究發現在人類女性著床前囊胚中，XIST可從兩條X染色體上單獨表達，並且X連鎖基因在兩條等位基因上的表達存在轉錄水平上的降低，但沒有沉默——這種補償狀態稱為X染色體抑制（XCD）【4】。而在人類中另一個顯著的差異是XACT的存在，其是一種靈長類特異性lncRNA，在人類著床前胚胎和多能幹細胞中都表達，可以對抗XIST的功能，但其在人類原始生殖細胞（hPGC）中的表達情況尚不清楚【4,5】。人類著床前胚胎中這種獨特的XCD狀態的具體情況一直令人費解，其與XCI之間又有什麼聯絡呢？

近日，來自美國加州大學的Amander Clark團隊在Nature Cell Biology線上發表題為 “Female human primordial germ cells display X-chromosome dosage compensation despite the absence of X-inactivation” 的文章，發現女性hPGC在進入減數分裂前X連鎖基因的減少，證明lncRNA XACT為hPGC的特異性標記物，描述了hPGC中由XIST介導的XCD的發生機制，並提出XCD的進化是人類用來調控著床前胚胎和PGC中的X連鎖基因的方式。由此揭示了人類原始卵母細胞中獨特的X染色體調控機制，指出未來人類生殖系發育研究必須考慮到兩性之間性二態X染色體劑量補償機制在產前生殖系中的作用。

首先研究人員利用RNA熒光原位雜交（FISH）技術分析發現在女性hPGC中，lncRNA XACT在兩條X染色體上均有表達，但在卵巢體細胞中不表達。同時，在男性hPGC中也有XACT的表達。同樣的，利用來自男性（UCLA2 ESC）和女性（MZT04-J iPSC）多能幹細胞分化出的hPGC樣細胞（hPGCLC）進行體外實驗，也證實了lncRNA XACT是男性和女性hPGC中特有的一個新的標誌物。此外研究人員發現，在XACT表達的大部分hPGC中，X連鎖基因（如HUWE1和ATRX）為雙等位基因表達，而由於存在XCI，體細胞中這些基因只是單個等位基因表達，由此表明女性hPGC攜帶著兩條活躍的X染色體。

從受精後第10周起，女性體內hPGC開始不均一地分化為減數分裂生殖細胞，抑制多潛能相關基因（如NANOG）。研究人員發現女性NANOG+ hPGC在受精後第14周時仍然表達XACT，而大多數NANOG- 減數分裂生殖細胞為XACT陰性。進一步的利用人類胚胎體外培養（生長到受精後12天為限），研究人員發現在男性和女性胚胎髮育的著床前和圍著床早期階段，XACT在大部分NANOG+外胚層細胞特異表達。相比之下，在第6天到第12天，XIST在男性NANOG+外胚層中被迅速抑制，從而突出了XIST調控在男性和女性圍著床期發育中的差異。

既然女性hPGC的兩條X染色體上均表達XACT，那麼其是否會發生XCD呢？透過單細胞測序分析X連鎖基因與常染色體基因表達（X/A）的比例，結果顯示在女性hPGC中，X連鎖基因的劑量受到抑制，而隨著細胞進入減數分裂I期的前期I，這種劑量補償會被消除，並且這種現象是女性所特有的。

與此同時，研究發現，從hPGC到減數分裂生殖細胞中X/A比例的增加伴隨著XIST轉錄水平的降低。隨後用RNA-FISH對女性hPGC中XIST的定位結果顯示，XIST可以在絕大多數表達XACT的hPGC中檢測到，並且呈現不同的訊號模式（圖1），包括：1）削弱模式，XIST被限制在具有Xi定位特徵的一條X染色體上，但與體細胞中的Xi相比富集程度低，並且在第二條X染色體上有一個新的XIST轉錄點；2）分散模式，儘管在兩個XACT訊號點附近，但在細胞核的大部分割槽域都能檢測到XIST訊號，表明此時XIST是由兩個X染色體表達的；3）一點模式，在兩個XACT訊號之一附近的一個點，表示來自一個X染色體的表達；4）兩點模式，代表兩個X染色體上XIST的新生轉錄位點。在受精後第7周的大部分hPGC中XIST訊號呈分散模式，而在胚胎髮育後期（受精後第8周和第14周），XACT陽性女性hPGC表現出相似的XIST RNA模式，XIST陰性細胞比例增加。在生殖細胞分化過程中，細胞從分散的XIST模式轉變為兩點模式和一點模式後，XIST被關閉。此外，研究人員發現，在XIST/XACT單等位基因表達的細胞中，XIST通常與XACT來自同一條X染色體，也進一步證明女性hPGC中發生XCD而非XCI。由此提示XIST可能介導了hPGC中X連鎖基因表達的抑制。

圖1 XIST定位模式

綜上所述，透過對人著床前胚胎、人胚胎貼壁培養、hPGCLC體外分化和hPGC的體內分析，證明了lncRNA-XACT在多能外胚層細胞和hPGC/hPGCLC中均有表達，並且是hPGC的特異性標誌物。同時證明在hPGC中，XCD並不是一個向XCI過渡的狀態，而是一個可以持續至少6周直至減數分裂開始的穩定狀態，並且女性生殖系進入減數分裂後XCD的丟失與XIST的沉默有關，提示XIST是XCD的介導者（圖2）。透過對XCD的證實，本研究得出了人類外胚層與hPGC之間X染色體狀態之間的相似性，揭示了在進入減數分裂前hPGC中X連鎖基因表達的調控機制，同時揭示了卵母細胞中獨特的X染色體狀態，對卵母細胞的形成和受精卵的發育具有重要意義。

圖2

原文連結：

https://doi.org/10.1038/s41556-020-00607-4

製版人：啟萌之星

參考文獻

1. Payer, B. & Lee, J. T. X chromosome dosage compensation: how mammals keep the balance. Annu. Rev. Genet. 42, 733–772 (2008).

2. Rafael Galupa, Edith Heard. X-Chromosome Inactivation: A Crossroads Between Chromosome Architecture and Gene Regulation. Annu Rev Genet. 52. 535-566 (2018).

3. Christine M Disteche, Joel B Berletch. X-chromosome inactivation and escape. J Genet. 94(4):591-9 (2015).

4. Petropoulos, S. et al. Single-cell RNA-seq reveals lineage and X chromosome dynamics in human preimplantation embryos. Cell https://doi.org/10.1016/j . cell.2016.03.023 (2016).

5. Vallot, C. et al. XACT noncoding RNA competes with XIST in the control of X chromosome activity during human early development. Cell Stem Cell 20, 102–111 (2017).=