清華新聞網(wǎng)1月19日電 基因表達(dá)調(diào)控在不同性別之間展現(xiàn)出令人驚嘆的分子巧思，仿佛一場(chǎng)精心編排的生命雙重奏。X染色體失活（X chromosome inactivation，XCI）是雌性哺乳動(dòng)物體細(xì)胞中通過(guò)異染色質(zhì)化隨機(jī)失活一條X染色體的過(guò)程，是實(shí)現(xiàn)基因劑量平衡的重要機(jī)制。過(guò)往的大量研究證實(shí)經(jīng)典長(zhǎng)非編碼RNA:Xist的表達(dá)、擴(kuò)散和穩(wěn)定維持依賴(lài)于一系列分子內(nèi)外的復(fù)雜互作網(wǎng)絡(luò)，例如HNRNPK、SPEN、PRC1和PRC2等一系列關(guān)鍵因子促進(jìn)X染色體異染色質(zhì)化，最終形成具有特定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高級(jí)染色質(zhì)疆域，熒光顯微鏡下微米尺度的巴氏小體（Barr body）。X染色體失活（XCI）領(lǐng)域的一個(gè)重要未解之謎是，Xist RNA如何特異性地濃縮在失活的X染色體（Xi）上。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，Xist的第一個(gè)外顯子中存在一個(gè)核心位點(diǎn)（nucleation site），其作用是將新生的Xist轉(zhuǎn)錄本錨定在X失活中心（Xic），并促進(jìn)其在Xi上的順式擴(kuò)散。Xist的濃縮隨后使其相互作用的蛋白質(zhì)伙伴也富集于Xi上。盡管這一領(lǐng)域取得了一些進(jìn)展，Xist RNA擴(kuò)散的機(jī)制仍然未被完全闡明。關(guān)鍵問(wèn)題包括：還有哪些X染色體上的決定因素調(diào)控Xist RNA的擴(kuò)散行為？是什么限制了Xist RNA向其他染色體擴(kuò)散？
1月16日，清華大學(xué)生命學(xué)院李丕龍課題組與合作者在《細(xì)胞》（Cell）雜志上在線(xiàn)發(fā)表題為“Xist RNA限制性擴(kuò)散行為的生物物理學(xué)基礎(chǔ)”（A biophysical basis for the spreading behavior and limited diffusion of Xist）的文章。該研究提出Xist特異性捕獲并“軟化”HNRNPK液滴，內(nèi)化其它XCI關(guān)鍵因子，通過(guò)形成局部相分離分子網(wǎng)絡(luò)限制并引導(dǎo)Xist擴(kuò)散行為，最終促進(jìn)建立Xi染色質(zhì)高級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
研究者發(fā)現(xiàn)，Xist可以特異捕獲HNRNPK液滴并迅速內(nèi)化，進(jìn)一步通過(guò)增強(qiáng)液-液相分離（LLPS）能力促進(jìn)局部凝聚體形成。一系列生化結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，HNRNPK與Xist的相互作用以及HNRNPK相分離依賴(lài)于RGG結(jié)構(gòu)域，且Xist的C-富集多價(jià)重復(fù)序列在調(diào)控凝聚體形成中起到關(guān)鍵作用。
圖1 RepB-HNRNPK凝聚體內(nèi)化和濃縮XCI因子
進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，HNRNPK與Xist形成的凝聚體能夠內(nèi)化、捕獲并濃縮其他關(guān)鍵的XCI因子，包括YY1、RING1B、SPEN和SMCHD1。Xist的加入顯著降低了HNRNPK和XCI因子的分子擴(kuò)散速度，并提高了局部濃度，促進(jìn)XCI因子與Xist的結(jié)合。表明這種 LLPS 網(wǎng)絡(luò)通過(guò)減少分子擴(kuò)散率和提升局部濃度，提升了Xist核糖核蛋白復(fù)合物的組裝效率，從而為XCI的穩(wěn)定發(fā)生提供了高效的體系（圖1）。
圖2 RepB-HNRNPK凝聚體潤(rùn)濕行為
研究結(jié)果表明，HNRNPK凝聚體與游離的Xist之間能夠產(chǎn)生相互的牽引力并產(chǎn)生潤(rùn)濕現(xiàn)象，在RNA的作用下，軟化HNRNPK-Xist共相分離液滴，表現(xiàn)為鋪展和扁平化增強(qiáng)的趨勢(shì)（圖2）。這些結(jié)果揭示了HNRNPK液滴與Xist RNA之間的相互作用促進(jìn)了RNA以相分離通道的形式進(jìn)行擴(kuò)散，并通過(guò)增強(qiáng)液滴的形變和潤(rùn)濕行為維持Xist在X染色體擴(kuò)散的高效性和穩(wěn)定性。
最后，研究者通過(guò)在小鼠胚胎成纖維細(xì)胞（MEFs）和雌性小鼠胚胎干細(xì)胞（mESCs）中引入HNRNPK的LLPS缺失突變，觀(guān)察到 Xist擴(kuò)散受損，并伴隨H2AK119ub1和H3K27me3標(biāo)記丟失，表明Polycomb蛋白復(fù)合物（PRC1和PRC2）的富集受到破壞。ChIP-seq分析進(jìn)一步證實(shí)了上述結(jié)果。在雌性mESCs的XCI發(fā)育過(guò)程中，攜帶LLPS缺失突變的細(xì)胞表現(xiàn)出類(lèi)似的Xist擴(kuò)散缺陷，同時(shí)伴隨核體積增大和染色質(zhì)去凝聚現(xiàn)象。CHART-seq分析表明，LLPS缺失突變突變顯著削弱了Xist在X染色體失活區(qū)域的結(jié)合，而對(duì)逃逸基因的影響較小。in situ Hi-C分析發(fā)現(xiàn)，LLPS缺失突變導(dǎo)致A/B compartment的“交叉”染色質(zhì)相互作用顯著減少，同時(shí)邊界更加清晰。此外，染色質(zhì)短程相互作用在LLPS 缺失突變細(xì)胞中增加，表明LLPS功能對(duì)于平衡局部與長(zhǎng)程交互具有關(guān)鍵作用。
圖3 HNRNPK-Xist形成特化相分離，促發(fā)并維持Xist的限制性擴(kuò)散與X染色體基因沉默
綜上所述，研究者發(fā)現(xiàn)了經(jīng)典長(zhǎng)非編碼RNA-Xist通過(guò)價(jià)態(tài)依賴(lài)的互作方式與HNRNPK形成特化相分離分子網(wǎng)絡(luò)，協(xié)同內(nèi)化XCI因子，促發(fā)并維持限制性擴(kuò)散行為學(xué)特征，最終實(shí)現(xiàn)物種內(nèi)部不同性別的基因計(jì)量學(xué)平衡（圖3）。
清華大學(xué)生命學(xué)院副教授李丕龍與哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授Jeannie T. Lee為共同通訊作者。清華大學(xué)生命學(xué)院已出站博士后丁明瑞和哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院博士Danni Wang為共同第一作者。該研究得到了中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所教授婁繼忠和博士陳輝的大力支持，他們?cè)谏锪W(xué)和單分子實(shí)驗(yàn)上作出了不可或缺的貢獻(xiàn)。哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院博士殷浩、清華大學(xué)生命學(xué)院2018級(jí)博士生孫文靜和中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所博士孫敏給予的寶貴建議和相關(guān)試劑。研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的資助。最后感謝膜生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北京生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心和清華大學(xué)顯微成像平臺(tái)給予的大力支持。
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https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.12.004
供稿：生命學(xué)院
編輯：徐子越
審核：黃思南
