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研究人员为探究基因逃脱 X 染色体失活（XCI）的机制，研究 CTCF 及染色质环境的作用，发现二者可调控 Car5b 逃脱 XCI。
在哺乳动物的世界里，雌性细胞中的两条 X 染色体，其中一条会在发育过程中沉默，这就是神秘的 X 染色体失活（XCI）现象。它就像一把精准的 “基因调控钥匙”，让雌性（XX）和雄性（XY）在 X 连锁基因表达上保持平衡。然而，总有一些 “调皮” 的基因能逃脱 XCI 的调控，在雌性细胞中 “崭露头角”，这些逃脱基因的数量和逃脱水平在不同物种、组织和细胞类型中都存在差异，它们很可能是造成物种和组织特异性性别差异的重要因素。
目前，科学家们对于这些逃脱基因是如何避开 XCI 中多层异染色质的严格管控，以及在特定细胞、组织和物种中，是什么因素在调节它们从失活 X 染色体（Xi）上的表达水平，还知之甚少。解开这些谜团，对于明确逃脱基因在性别差异中的作用至关重要。已有研究暗示，染色质结构的重要调控者 CTCF（CCCTC 结合因子）或许在调控染色质绝缘和基因逃脱 XCI 的过程中扮演着关键角色，但其中的分子机制依旧扑朔迷离。
为了揭开这些神秘的面纱，来自美国华盛顿大学等机构的研究人员开展了深入研究，相关成果发表在《BMC Biology》上。
研究人员采用了多种关键技术方法。利用具有完全偏态 XCI 的种间小鼠系统，基于单核苷酸多态性（SNP）来区分 Xi 和活性 X 染色体（Xa）。运用染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）、切割与运行（CUT&RUN）、转座酶可及染色质测序（ATAC-seq）等技术，系统地研究了 CTCF 结合模式和表观遗传特征。还通过染色体构象捕获（3C）结合高通量染色体构象捕获（Hi-C）分析，来探究染色质的相互作用。同时，利用等位基因特异性 CRISPR/Cas9 技术对特定的 CTCF 结合位点进行编辑，以研究其功能。
下面来看看具体的研究结果：
- CTCF 结合位点的分布：研究人员重点研究了 8 个逃脱基因，包括 6 个组成型逃脱基因（如 Ddx3x、Kdm6a 等）和 2 个兼性逃脱基因（Shroom4、Car5b）。他们发现，这些逃脱基因通常位于约 30 - 800kb 的区域内，该区域被 CTCF 结合位点的汇聚阵列所标记，这意味着可能形成了染色质环。而且，在逃脱基因与相邻受 XCI 调控的基因边界处，常常存在强且发散的 CTCF 结合位点，这些位点可能起到绝缘作用，将逃脱区域与沉默区域分隔开。
- 逃脱区域的特征：逃脱区域通常比之前定义的拓扑相关结构域（TADs）小，常位于 TADs 内部，可能代表等位基因亚 TAD 结构或环。在这些逃脱区域内，CTCF 结合位点常位于启动子和增强子附近，有助于维持染色质可及性和活性组蛋白标记 H3K27ac，同时减少抑制性组蛋白标记 H3K27me3的富集，从而使基因能够逃脱 XCI 的调控。
- CTCF 对 Car5b 逃脱 XCI 的作用：研究人员以组织特异性兼性逃脱基因 Car5b 为研究对象，发现其在 Patski 细胞中逃脱 XCI，而在小鼠大脑中则受 XCI 调控。在 Patski 细胞中，Car5b 区域存在 4 个 CTCF 结合位点（P1 - 4），其中 P4 位于 Car5b 与相邻沉默基因 Siah1b 的边界。通过等位基因特异性 CRISPR/Cas9 技术删除或倒置 P4 后发现，删除 P4 会导致 Car5b 从 Xi 上逃脱的水平显著降低，而倒置 P4 则没有这种影响。这表明 CTCF 在 P4 区域的结合对于增强 Car5b 逃脱 XCI 起到了关键作用。
- Xi 特异性异染色质环境对逃脱基因的影响：研究人员利用两种突变细胞系，一种是删除 Dxz4 位点导致 Xi 紧密异染色质结构破坏的细胞系，另一种是 Firre RNA 缺失导致 Xi 上 H3K27me3富集减少的细胞系。他们发现，在这两种突变细胞系中，逃脱基因在 Xi 上的表达水平均有所增加。这说明 Xi 的异染色质环境，包括染色质凝聚和 H3K27me3富集，通常会限制逃脱基因在 Xi 上的表达水平。
综合研究结论和讨论部分，这项研究意义重大。研究人员证实了 CTCF 结合位点通过形成绝缘环结构，在增强体细胞中基因逃脱 XCI 的过程中发挥着重要作用。同时发现，Xi 的三维结构和 H3K27me3富集对多个逃脱基因的调控起着关键作用，而 DNA 甲基化则没有明显影响。这些发现为未来旨在干扰 Xi 上基因沉默或逃脱机制的研究提供了重要的见解，有助于进一步理解它们在人类健康和疾病中的作用。例如，对于一些与性别相关的疾病，或许可以从这些调控机制入手，寻找新的治疗靶点和策略。但目前研究主要集中在 Car5b 等少数基因上，未来还需要对更多的逃脱基因进行研究，以更全面地揭示基因逃脱 XCI 的调控机制。
