Cell:高通量测序解析神秘X失活

【字体: 时间:2012年11月29日 来源:生物通

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  来自北卡罗莱纳大学遗传学系Terry Magnuson实验室的研究人员完成了一项最新研究成果,拓宽了我们对于一个特殊的过程:X去活性(X inactivation)的理解,有助于更深入的了解细胞如何调控这一过程中的X染色体沉默。相关成果公布在11月21日的Cell杂志上。

  

生物通报道:来自北卡罗莱纳大学遗传学系Terry Magnuson实验室的研究人员完成了一项最新研究成果,拓宽了我们对于一个特殊的过程:X去活性(X inactivation)的理解,有助于更深入了解细胞如何调控这一过程中的X染色体沉默。相关成果公布在11月21日的Cell杂志上。

文章的第一作者是Magnuson实验室的博士后研究员Mauro Calabrese,他表示,“这是一个典型案例——通过X去活性方面的基础研究,提出了一种旗舰模型,能用于了解非编码RNAs如何能精密操控基因表达大型调控的。简而言之,就是尝试了解细胞如何调节基因表达的。我们的这一研究结果意义广泛,能通过了解正常细胞如何行使功能,从而深入探索疾病机理和治疗方法”。

X去活性(X inactivation)也就是X染色体失活,是指一般女性虽然都有两条X染色体,但事实上有一条会惰性化,变成巴尔体(Barr body),这个过程由Mary F. Lyon发现,因此也被称为里昂化作用。

“男性染色体为XY,女性的则有两个X,其中一个会被关闭。如果没有关闭,就无法存活。这就是我们进化过程中达到男性和女性平衡的一种方式,”Calabrese说。

虽然过去五十年来,科学家们一直针对这种X染色体失活的情况进行研究,但是其中精确的调控机制依然是一个迷,而Calabrese等人采用了一种高通量测序的方法,解析了这一过程,以前所未有的精度确定了这种作用的位置和活性。

“基本上可以说,这项研究是将测序技术当成了一种高分辨率显微技术,”Calabrese说。

在显微镜下,可以看到失活的X染色体(Xi)呈云状结构,因为它被一种称为Xist的非编码RNA笼罩着。而在传统的X去活性模型中,被笼罩的基因是完全沉默的,其中15%的基因会逃逸出来,变得活跃。

“当时认为这些逃逸除了的基因是被拉出了中心区域,进行表达的”Calabrese说。

而最新这项研究提出了一种新模型,这一模型更加复杂精确,研究人员发现了Xist云状结构中存在活性基因,而云状结构外也有失活基因,这两者在之前的模型中都未被包括进去。

“这很微妙,但从机制上来说,是一个很大的区别,”Calabrese说。

在Xist云状结构中,研究人员通过测序发现了微量的DNase I敏感性(DNase I sensitivity),这是一种常与转录活性联系在一起的特征,虽然缺少与转录相关的其它标志,但是这一特征的存在表明细胞核确实将失活X染色体当成了可用的DNA,但有一种未知的机制,抑制了基因被激活。

“这令我们惊讶,如果这些基因是完全沉默的,这就不会发生……这表明,转录因子或DNA结合的其它蛋白仍然能接触到这些失活X染色体,”Calabrese说。

还有一些令人惊讶的发现,比如研究人员发现这15%“逃逸”出来的基因,即存在于Xist云状结构中,也存在于结构外,而Xist结构外也有沉默的基因。

“如果说X染色体失活是一个严密的核屏障,那么从这个屏障中被拉出来的基因就应该能被激活,但是却没有,”Calabrese说。Xist结构中出现了DNAase I敏感性,以及结构外发现了失活基因,都表明染色体上基因调控的作用方式,比仅仅只是开关这种模式要复杂得多,目前具体的机制还不清楚。不过Calabrese认为Xist基因在其中扮演了重要角色,其确切的功能,以及是否有其他因素影响了X染色体失活,还有待研究。

“我们只知道对于关键失活X来说,Xist基因是必需的,但是如何进行的,我们并不知道,”Calabrese说。

除了还需深入探索X-染色体失活的作用机理,研究人员表示,还需要分析Xist云状结构的功能,从而揭示更多关于非编码RNAs在细胞发育过程中的其它作用,这些RNA今后也许能作为治疗和药物研发的靶标。

“非编码RNA的表达出现太多错误,可能导致癌症。而有些非编码RNA的表达则可以预防癌症。其实我们还并不了解这些RNA,”Calabrese说。

(生物通:张迪)

原文摘要:

Site-Specific Silencing of Regulatory Elements as a Mechanism of X Inactivation

The inactive X chromosomes (Xi) physical territory is microscopically devoid of transcriptional hallmarks and enriched in silencing-associated modifications. How these microscopic signatures relate to specific Xi sequences is unknown. Therefore, we profiled Xi gene expression and chromatin states at high resolution via allele-specific sequencing in mouse trophoblast stem cells. Most notably, X-inactivated transcription start sites harbored distinct epigenetic signatures relative to surrounding Xi DNA. These sites displayed H3-lysine27-trimethylation enrichment and DNaseI hypersensitivity, similar to autosomal Polycomb targets, yet excluded Pol II and other transcriptional hallmarks, similar to nontranscribed genes. CTCF bound X-inactivated and escaping genes, irrespective of measured chromatin boundaries. Escape from X inactivation occurred within, and X inactivation was maintained exterior to, the area encompassed by Xist in cells subject to imprinted and random X inactivation. The data support a model whereby inactivation of specific regulatory elements, rather than a simple chromosome-wide separation from transcription machinery, governs gene silencing over the Xi.

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