X染色体失活概述

X染色体失活概述 摘 要 哺乳动物通过X染色体失活保持了体内染色体的平衡和性别的平衡，即剂 量补偿效应。X染色体失活中心(X inactivation center,XIC)是控制X染色体失活的关键作用元件，它对失活染色体的计数和随机选择具有决定性作用，调控着失 活的起始；甲基化对失活的维持有着举足轻重的作用。但是，由于各种影响因素 的存在，失活有时候会出现非随机性和失活逃逸现象。随着各种X染色体失活疾病的出现，对其进行深入的研究意义显得十分重要。 关键词：X染色体 剂量补偿 失活中心 甲基化 目 录 一 前言 ....................................... 1 二 本论 ....................................... 2 2.1X染色体失活机制 .................................... 2 2.1.1X染色体失活中心 .................................. 2 2.1.2X染色体失活的起始 ................................ 2 2.1.3X染色体失活的维持 ................................ 3 2.2X染色体失活的非随机性选择 .......................... 3 2.3X染色体失活的逃逸 .................................. 4 三 结论 ....................................... 5 参考文献 ......................................... 6 一 前言 1891年，德国学者Henking在半翅目昆虫精母细胞减数分裂中发现一 种异染色质，在一半的精子中含有而另一半中没有，便命名其为X染色体意为“未知染色体”。 1902年C.E.McClung把X染色体与昆虫的性别联系起来；1905年E.B.Wilson证明在半翅目和直翅目昆虫中，雌性个体具有两条X染色体，而在雄性个体中只有一条。 X染色体的功能除了与胚胎的发育有关外，还与性别比例有关。在种 群繁衍过程中，如果不能适时地消除和重印迹X染色体，将减弱子代胚胎 的生存力，还会导致性别比例的破坏。在哺乳动物中，XY染色体决定着性别，其中XX为雌性，XY为雄性。 1949年，Barr等人发现雌猫的神经细胞间期细胞核中有一个染色很深 的染色质小体，而雄猫中没有，这是由X染色体浓缩形成的、惰性的、异 染色质化的小体。后来发现在大部分正常女性的许多组织细胞的间期细胞 核中也有此类染色质小体，而男性没有，被称为巴氏小体。 剂量补偿(Dosage compensation)是使X连锁的基因在两性间的表达水 平达到平衡的过程。X染色失活是与性别相关联的一种特殊形式的基因调 控。早期哺乳动物胚胎由于性染色体组成上的差异使得其在早期发育中表 现出剂量补偿作用。这种剂量补偿作用是通过雌性胚胎一条X染色体的失 [1]活(XCI)和异染化获得的，而且不同生物的剂量补偿机制各不相同。 1 二 本论 2.1X染色体失活机制 2.1.1X染色体失活中心 X染色体失活是由X染色体失活中心(X inactivation center,XIC)顺式作用控制的，XIC是X染色体失活的主控开关座位，携带XIC的X染色体可以顺式失活，没 有携带XIC的X染色体不会被失活，而包含XIC的常染色体易位失活可以蔓延到 以XIC为中心的常染色体其它部分。但XIC不是维持X染色体失活所必需的，缺 [2]失XIC的X染色体失活状态仍可以稳定地存在。 XIC是一个长约1mb的DNA编码序列,包含一些与X染色体失活有关的单元,研究发现，它包括至少4个己知基因。（1）Xist(X inactive-specific transcript)，含有至少8个外显子，能产生一个非翻译的Xist RNA，由即将失活的X染色体转录，在有活性的X染色体上它的转录受到抑制。该基因上游存在两个启动子p、p，12用以在即将失活的X染色体上转录生成稳定聚集的Xist RNA，还有一个p启动子，0用以产生不稳定的Xist RNA。Xist的转录产物是诱导X染色体失活的初始信号， 覆盖于即将失活X染色体的有限关键位点，然后招募沉默复合物并向两侧扩展， 引起X染色体沉默的启动与传播。（2）Xce(X-chromosome controlling element)位于Xist下游，主要影响失活染色体的选择。Xce纯合子表现为正常的随机失活， 杂合子表现为非随机失活。（3）Tisx，是起始于Xist下游约15kb的一个顺式调控元件,其为Xist的反义链。X染色体失活一旦开始,Tisx以单链表达，并结合在保 持活性的X染色体上直到Xist关闭。Tisx不能在失活染色体上存在，仅在染色体 失活启动时对Xist进行调控。（4）DXPas34是一个CPG富集的地方，而且含有Tisx的重要起始位点。 2.1.2X染色体失活的起始 1计数 研究表明，二倍体卵细胞中存在着一种计数机制，可以感知X染色体的数量，当其数量超过1时，就会有一条X染色体上的XIC区诱导Xist RNA的转录表达从而使其失活；同时另一条X染色体会被保护起来。对XIC区遗传缺失的研究表明， Xist RNA的转录受XIC区的正调控和负调控，并且Xist RNA的稳定性也影响其量 2 的积累。利进一步的实验进表明对X染色体沉默有重要作用的Xist序列及其启动子区的缺失对染色体计数都是非必需的。 2选择 X染色体数量确定以后，细胞将会启动选择机制来决定哪条染色体失活。研 究证实，在X染色体失活的关键时刻，2条X染色体紧密接触，接触不久后，蛋白 栓的组成物质开始聚集在2条染色体的XIC区周围。两组蛋白经竞争后，其中一 个初具模型的蛋白栓获胜并达到一个能级—能将形成两个蛋白栓的所有物质聚 集为一个蛋白栓，最终的这个蛋白栓关闭了其所在X染色体上的Xist基因，维持了这条染色体的活性，另一条X染色体失活。 3起始 Xist RNA从XIC处转录并双向扩散，Xist RNA的聚集可以招募沉默复合物形 成扩展失活状态的初始信号,并沿至整个染色体，导致染色体质化。在胚胎细胞 分化过程中，卵细胞经历了一个低水平双等位Xist基因表达?分化双等位Xist基 [3,4]因表达?高水平单等位Xist基因表达的过程。 2.1.3X染色体失活的维持 DNA的甲基化是维持X染色体失活的主要作用因素，缺失CPG岛甲基化的X染色体失活是不稳定的。组蛋白HH的乙酞化不足也可能是维持失活染色体的3 4 另一个重要因素。DNA甲基化与组蛋白HH乙酞化之间存在协同关系，DNA甲3 4 基化作为一种初始机制，可以通过一种甲基化结合蛋白的介导来实现沉默位点的 [5,6]组蛋白去乙酞化。 2.2X染色体失活的非随机性选择 除了胚外组织,体细胞中X失活是随机性的，女性体细胞中表达父方X的细胞与表达母方X的细胞之比为50:50，高度偏离该比例即为非随机失活，通常将两者 比例大于或等于90:10。 X非随机失活有很多原因，包括原发的和继发的。原发性X非随机失活起源于失活过程本身,如胎盘组织中的父系印迹作用，此外Xist的突变也是引起原发性X非随机失活的重要原因。继发性X非随机失活是一种被动选择，与X染色体上的基因缺陷有关，有时X染色体的改变仅由于一个基因,只要这个基因维持细 [7]胞生存所必需,那么这种改变也同样会引起X染色体的非随机失活。 3 2.3X染色体失活的逃逸 Carrel等人在其实验分析中指出在失活的X染色体上75%的基因无活性，15%的基因因发生X染色体失活逃逸而具有活性，此外还有10%的基因发生异质性失 活逃逸。失活逃逸基因在X上的分布不是随机的,大多呈簇状定位于X染色体短臂(Xp)的远端。Disteche等认为着丝粒的异染色质结构将Xp与位于Xq上的X染色体失活中心隔离，从而失活逃逸多发生在Xp。基因在不同细胞系或个体失活逃逸 情况不同，而且具有物种特异性。 实验表明，失活逃逸可能与染色体的进化，胚胎分化，遗传修饰和DNA的 [8,9,10]重复序列以及绝缘子等有关。 4 三 结论 X染色体失活研究的意义 目前，有关X染色体失活方面的研究，有助于解释着床生物学研究中长期 存在的某些问题；研究其所采用的技术，也可应用到遗传型与表型等的研究中去。 克隆胚胎X染色体失活的研究，解决了关于细胞克隆中以体细胞核植入去 核卵细胞极少能够发育成独立的个体，但直接使用胚胎干细胞克隆则较易获得成 功的疑惑。研究发现，在用体细胞克隆胚胎胎盘组织时，原来在体细胞内失活的 X染色体一概被失活，而用胚胎干细胞核重建卵发育成胚胎时，胎盘组织的X染色体的失活是随机的。并且有证据表明，胎盘异常是体细胞克隆胚胎妊娠早期 死亡的主要原因。 使用带有已知X染色体连锁标记基因的转基因动物，在外部压力下选择表 达具有特殊基因产物的体细胞系，通过重建卵细胞获得克隆子代，进行X染色体失活的研究，证明了在雌性胚胎的滋养组织和胚胎组织中，X染色体的失活的选择方式是不同的。这种技术也能应用于胎盘哺乳动物早期基因表达调节的研究 [11]中。 5 参考文献： [1] 王正朝，潘晓燕,庞训胜.哺乳动物早期胚胎的剂量补偿作用及其对发育的影响.生态 学学报,2006,27,6:202~205 [2] 徐世永，刘红林.哺乳动物x染色体失活机制.细胞生物学杂志,2004,26:389~393 [3] 胡士斌.非编码RNAXist调节X染色体失活的分子机制.现代农业科 技,2009,14:351~353 [4] 徐丰,金由辛.RNA与X染色体失活的后成调节.生命的化学,1999,19,2:51~53 [5] 田莜青,房静远.组蛋白甲基化研究进展.生物化学与生物物理进 展,2006,33,6:511~516 [6] 征曰良,宋杰.克隆动物的端粒酶活性和X染色体失活.生物学教学,2002,27，3:5~6 [7] 张月萍.X染色体非随机失活与反复自然流产.国外医学妇产科学分 册,2006,33,3:159~162 [8] 伊璐,郝振华,徐银学.哺乳动物染色体失活逃逸研究进展.畜牧与兽 医,2008,40,4:100~103 [9] 吕占军,宋淑霞,翟羽等.人X染色体长臂(Xq)和短臂(Xp)基因组学比较分析.遗传学 报,2005,32,1:2~10 [10] 伊璐,郝振华,徐银学.X染色体的DNA序列结构不同于6、7、8、10、11、12号染色 体.遗传学报,2003,30,11:1051~1060 [11] 胡彬,胡承阅.着床前后X染色体失活和复活的意义.生殖与避孕,2002,22,1:54~56 6