Cell | X染色体失活新机制:液-液相分离的成核作用

性别决定过程中会出现X染色体失活(X chromosome inactivation,XCI)现象,其中涉及到一个非常关键的长非编码RNA Xist,在XCI过程中Xist由两条X染色体中的一个转录出来,覆盖在X染色体之上对X染色体进行沉默【1,2】Xist通过招募染色质修饰蛋白、转录沉默因子以及其他的RNA结合蛋白,启动基因沉默并对X染色体进行大规模的重塑,形成非活性X染色体中心(inactive X chromosome,Xi【3,4】。但X染色体上需要被沉默的基因有一千多个,而Xist只有几十个,并不与需要沉默的基因数量级相对应,因此X染色体的沉默的具体机制还不得而知。

2021年11月4日,美国加州大学洛杉矶分校Kathrin Plath研究组与Tom Chou研究组以及Yolanda Markaki(第一作者)合作发文题为Xist nucleates local protein gradients to propagate silencing across the X chromosome揭开了Xist通过对局部蛋白进行成核作用,促进Xist以及相关蛋白在X染色体上的覆盖,从而导致X染色体失活的分子机制。

Cell | X染色体失活新机制:液-液相分离的成核作用

为了检测Xist如何介导X染色体失活,作者们将雌性小鼠胚胎干细胞分化形成外胚层类似细胞(Epiblast-like cells,EpiLCs),此时会促进Xist的表达以及X染色体失活的诱导(图1)。在分化培养的第二天D2到D4是基因沉默的关键时期。通过RNAs-seq,作者们对所有的X染色体相关的基因进行了检测,确认D2-D4是Xist发挥作用的时间框,与其相互作用蛋白一起促进了基因的逐渐沉默。因此,作者们将D2时期的X染色体称为pre-Xi,而将D4时期的染色体称为Xi。

Cell | X染色体失活新机制:液-液相分离的成核作用

通过对D2-D4转换过程中Xist覆盖体积的统计,作者们发现pre-Xi与Xa的体积相似,而D4的时候Xi的体积与体细胞中凝缩程度相似。而且通过原位杂交实验,作者们发现pre-Xi到Xi的过程中结构出现了显著变化,因此X染色体失活过程中出现了染色体高阶结构的不同。

那么首先作者们想知道X染色体失活过程中Xist的数量具体是多少,为此作者们使用三维结构照明显微镜(Three-dimensional structured illumination microscopy,3D-SIM)对Xist的数量进行了统计,利用MS2-MCP实验系统【5】作者们发现Xist的数量大约是50个,每个点中包含两个Xist分子,在pre-Xi到Xi的过程中Xist的数量也没有出现显著的变化。但Xist点联合起来将X染色体上1000多个基因进行了沉默,Xist与被沉默的基因之间庞大的数量差引起了作者们的兴趣。能做到这一点的其中一个可能性是靶标基因之间可以通过快速扩散和瞬时的相互作用而被沉默。为了对这一假设进行检测,作者们检验了Xist点的移动性。作者们惊讶地发现,Xist点的位置几乎没有明显的融合和分裂,说明Xist点的信号位置是被严格限制的,而且主要位于开放的A-compartment之中。

Cell | X染色体失活新机制:液-液相分离的成核作用

那么Xist是如何做到沉默X染色体上的基因的呢?为此作者们想知道Xist点是否是通过招募其他的效应因子蛋白而导致在X染色体上的沉默的。作者们诱导基因沉默的效应因子蛋白进行检测,发现Xist点会招募其他效应因子比如SPEN等在Xist存在的局部区域形成大分子复合体(图2),增加局部蛋白质浓度形成Xi。SPEN能够形成大分子复合体依赖于其中存在内在无序序列【6】,通过敲除该内在无序序列,作者们发现SPEN蛋白招募进入Xist形成的复合体中也依赖于其内在无序序列,同时该序列对于X染色体失活过程也是非常关键的。Xist与形成的超复合体逐渐对X染色体进行塑形,促进X染色体上基因的沉默,形成X染色体失活中心区域(X-inactivation center,Xic),该区域包含正是Xist基因所存在的区域。

Cell | X染色体失活新机制:液-液相分离的成核作用

总的来说,该工作发现X染色体失活并非Xist通过扩散到整个染色体上促进基因沉默的,而是通过招募相关的效应因子蛋白形成大规模的、动态的蛋白质复合体(图3)促进X染色体高阶结构变化,逐渐凝缩并最终导致X染色体上的基因沉默。

原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.10.022

参考文献

1 Galupa, R. & Heard, E. X-Chromosome Inactivation: A Crossroads Between Chromosome Architecture and Gene Regulation. Annual review of genetics 52, 535-566, doi:10.1146/annurev-genet-120116-024611 (2018).

2 Brockdorff, N., Bowness, J. S. & Wei, G. Progress toward understanding chromosome silencing by Xist RNA. Genes & development 34, 733-744, doi:10.1101/gad.337196.120 (2020).

3 Chaumeil, J., Le Baccon, P., Wutz, A. & Heard, E. A novel role for Xist RNA in the formation of a repressive nuclear compartment into which genes are recruited when silenced. Genes & development 20, 2223-2237, doi:10.1101/gad.380906 (2006).

4 Chu, C. et al. Systematic discovery of Xist RNA binding proteins. Cell 161, 404-416, doi:10.1016/j.cell.2015.03.025 (2015).

5 Bertrand, E. et al. Localization of ASH1 mRNA particles in living yeast. Molecular cell 2, 437-445, doi:10.1016/s1097-2765(00)80143-4 (1998).

6 Banani, S. F., Lee, H. O., Hyman, A. A. & Rosen, M. K. Biomolecular condensates: organizers of cellular biochemistry. Nature reviews. Molecular cell biology 18, 285-298, doi:10.1038/nrm.2017.7 (2017).

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