哺乳动物感知染色体数量的神奇“开关”

雌性哺乳动物的细胞存在剂量问题，因为它们的X染色体数量是人体所需的两倍。因此，它们中的一个被随机选择，并在早期胚胎发育期间关闭。Xist基因会被唤醒并产生数百个RNA分子，将一条X染色体包裹起来，使其收缩成一个小块。

但是，细胞如何知道在给定的时间关闭一条染色体——但只有在有两条染色体时才关闭呢?

马克斯·普朗克分子遗传学研究所(MpIMG)的Lise Meitner小组组长Edda Schulz领导的一个研究小组在小鼠干细胞中找到了这个长达几十年的谜题的答案，并将他们的研究结果发表在《Molecular Cell》杂志上。

一种新的遗传电路

柏林的科学家们发现了一个遗传电路，它接收细胞发育阶段的信息，并将其传递给Xist基因。“我们发现了感知细胞是否已经离开干细胞状态的调节区域，”Edda Schulz说。

新发现的基因开关被称为“Xert”，是调控序列“增强子”家族的成员。它本身不足以触发去激活程序。只有当存在于细胞内的两条X染色体可以自由获得且不被其他因素阻断时，Xist才会对发育线索做出反应。只有同时满足这两个条件，Xist才能使“剩余”的X染色体沉默。

存在主义周围的DNA元素处理来自不同来源的信息，就像一台计算机，Schulz说:“一个细胞有可以启动和停止的程序。但与由电线和硅制成的机器不同，它的电路是由分子组成的，这些分子相互对接，或由化学反应产生。”

通过颠覆获得洞察力

“我们的目标是在不知道原理图的情况下追踪遗传电路，”Schulz实验室的科学家、论文的第一作者罗格尔·贾尔特马(Rutger Gjaltema)说。“最终，我们对Xist的监管状况有了一个相当完整的了解。”

在最初的筛选实验中，科学家们确定了X染色体上的138个DNA片段，它们似乎以某种方式参与了存在基因周围的信号转导。对于每个片段，他们设计了一个DNA片段，可以单独靶向并敲除潜在的基因开关。研究人员将这些片段放入病毒样颗粒中，用它们感染细胞，并观察在哪些情况下，Xist RNA的生成会增强或受损。

“我们找到了许多我们已经知道的Xist监管机构，这是一个很好的迹象，因为它证实了我们的方法是有效的，当然，更令人兴奋的是，在分析中出现了许多完全未知的序列。”

空间的劳动分工

为了研究新序列的功能，科学家比较了这些序列在干细胞、发育中的细胞和有两条或只有一条X染色体的细胞中的活性。他们注意到，在基因开关和显著的空间分离之间似乎存在着分工。

第一开关位于毗连的Xist及其启动序列。只有当存在双倍剂量的X链编码酶时，它才会翻转。这些酶似乎介导了阻碍存在附近区域的因素的降解。一旦有足够的酶，基因就可以接近Xert增强子信号。然而，由于只有一条X染色体，X染色体数量太少，Xist仍然处于阻塞状态，无法发挥作用。

第二个开关并不位于Xist附近，Schulz解释说:“和其他发育基因一样，增强子离目标基因相对较远。为了与基因接触，DNA必须弯曲成一个环”。她的团队与MpIMG的斯特凡·蒙德洛斯(Stefan Mundlos)的研究小组一起，研究了存在基因周围DNA的三维结构。“我们证明，DNA链上彼此相距遥远的信号是整合在一起的。”

“这两种信号通路是相互联系的，”Schulz说。“靠近Xist的区域安装了机械装置，就像一个开关一样。然后，当细胞发育到足够远时，增强器就会触发。”

其他发育基因的模型

Schulz说，这些新发现为进一步研究X染色体失活提供了线索。然而，虽然Xist控制的过程在动物王国中是独特的，但遗传控制机制并非如此。Schulz认为，Xist调控也可以用来更好地理解其他发育基因:“X失活本身就是一个迷人的系统，但最重要的是，它是一个非常有价值的模型，可以更好地理解我们基因组中的调控关系。”

Rutger A.F. Gjaltema, Till Schwämmle, pauline Kautz, Michael Robson, Robert Schöpflin, Liat Ravid Lustig, Lennart Brandenburg, Ilona Dunkel, Carolina Vechiatto, Evgenia Ntini, Verena Mutzel, Vera Schmiedel, Annalisa Marsico, Stefan Mundlos, Edda G. Schulz. Distal and proximal cis-regulatory elements sense X chromosome dosage and developmental state at the Xist locus. Molecular Cell, 2021; DOI: 10.1016/j.molcel.2021.11.023