爬行動物中**個(gè)性染色體表達(dá)劑量補(bǔ)償相關(guān)的lncRNA

在具有XX/XY性染色體的物種中——包括胎盤哺乳動物、有袋動物和果蠅，雌性攜帶兩個(gè)X染色體副本，而雄性只有一個(gè)X染色體副本和一個(gè)退化的Y染色體副本。1967年，Susumu Ohno預(yù)測，具有兩條X染色體的雌性不應(yīng)該比僅有一條X染色體的男性有更多的轉(zhuǎn)錄活性基因，并提出可以沉默雌性中的一條X染色體以實(shí)現(xiàn)兩性之間的劑量補(bǔ)償。后來，雌性胎盤哺乳動物被證實(shí)遵循隨機(jī)失活一個(gè)X染色體。有袋動物是一組與胎盤哺乳動物共享相同XY染色體的哺乳動物，在有袋動物中也發(fā)現(xiàn)了類似的X失活系統(tǒng)。相比之下，果蠅進(jìn)化出了另一種策略，雄性的單個(gè)X染色體過度表達(dá)，以匹配雌性的兩個(gè)X染色體的表達(dá)輸出。

在這三個(gè)譜系中，長鏈非編碼RNA (lncRNAs)在平衡雄性和雌性基因表達(dá)的機(jī)制中起著關(guān)鍵作用。在胎盤哺乳動物中，X染色體失活發(fā)生在雌性發(fā)育早期，由lncRNA XIST(X inactive specific transcript) 的激活引起。簡單地說,XIST被KDM5C激活，被SPEN上調(diào)，然后順式募集蛋白復(fù)合物，誘導(dǎo)組蛋白H3賴氨酸27三甲基化(H3K27me3)，組蛋白H2A賴氨酸119單泛素化(H2AK119ub)，隨后染色質(zhì)壓縮（compaction）和表達(dá)失活。類似地，在有袋動物中，lncRNA RSX(RNA -on-the- silent X)順式作用，觸發(fā)X失活信號通路。該lncRNA被認(rèn)為與Polycomb復(fù)合物和其他潛在的染色質(zhì)修飾蛋白相互作用以沉默轉(zhuǎn)錄。而果蠅的lncRNA   roX2(RNA on the X)與雄性特異性致死(MSL)復(fù)合物結(jié)合，該復(fù)合物使組蛋白4上的賴氨酸16高乙酰化 (H4K16ac)，以增加雄性X染色體的轉(zhuǎn)錄輸出。果蠅X染色體的調(diào)節(jié)發(fā)生在胚胎發(fā)育早期。

綠色的變色蜥蜴，安樂蜥，擁有1.5億至1.7億年歷史的XX/XY系統(tǒng)，其中Y染色體高度退化，X染色體在雄性和雌性之間表達(dá)水平平衡。在這種蜥蜴中，劑量補(bǔ)償機(jī)制通過增加H4K16乙酰化標(biāo)記的水平來上調(diào)雄性X基因的表達(dá)。在這項(xiàng)研究中，作者深入研究了這種劑量補(bǔ)償系統(tǒng)的復(fù)雜性。

研究亮點(diǎn)

1. 安樂蜥X染色體上兩個(gè)相鄰的性別特異性lncRNA：使用帶注釋的基因?qū)NA測序(RNA-seq)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異表達(dá)分析，并沒有檢測到X連鎖基因在體細(xì)胞組織中表現(xiàn)出顯著的性別特異性表達(dá)。然而，作者推測一些元件，如lncRNA基因，可能在參考基因組中注釋不良。因此，他們將X染色體分成數(shù)千個(gè)50堿基對(bp)片段，并在雄性和雌性樣本之間進(jìn)行差異表達(dá)分析，在X染色體上發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)相鄰的位點(diǎn):一個(gè)具有強(qiáng)烈的雄性表達(dá)偏倚，另一個(gè)具有強(qiáng)烈的雌性表達(dá)偏倚。在GenBank蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行序列搜索沒有發(fā)現(xiàn)顯著的匹配，因此，這些基因可能代表lncRNA。

2. MAYEX、組蛋白乙酰化和其他激活轉(zhuǎn)錄的蛋白之間的相互作用：劑量補(bǔ)償機(jī)制在整個(gè)X染色體序列上都是活躍的。利用染色質(zhì)免疫沉淀測序(ChIP-seq)數(shù)據(jù)對H4K16ac表觀遺傳標(biāo)記進(jìn)行差異覆蓋分析，檢測到沿整個(gè)X染色體的雄性特異性超乙酰化。MAYEX在轉(zhuǎn)錄激活因子和結(jié)構(gòu)蛋白的幫助下參與X染色體的激活。

3. MAYEX和鄰近的重復(fù)序列組成染色體內(nèi)調(diào)控結(jié)構(gòu)域：為了深入了解X染色體的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和MAYEX的潛在調(diào)節(jié)作用，作者在雄性和雌性蜥蜴中進(jìn)行了Hi-C實(shí)驗(yàn)。Hi-C數(shù)據(jù)分析顯示，雄性和雌性常染色體在染色質(zhì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上幾乎沒有差異；然而雄性的X染色體上比雌性X染色體有更多的拓?fù)湎嚓P(guān)結(jié)構(gòu)域(TADs)和更高頻率的接觸（contacts）。靠近X染色體末端的特定區(qū)域顯示出與染色體其余部分的多重遠(yuǎn)程相互作用——這個(gè)約30 kb的區(qū)域富集了長距離的Hi-C接觸，從MAYEX位點(diǎn)開始，向下游延伸到基因間區(qū)域，雄性的遠(yuǎn)程接觸頻率高于雌性并且高于X上其他基因座的觀察頻率。從染色質(zhì)相關(guān)RNA測序(ChAR-seq)實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)顯示，MAYEX的轉(zhuǎn)錄形式與雄性X染色體上的多個(gè)遠(yuǎn)端DNA區(qū)域直接接觸。MAYEX的啟動子區(qū)域在雄性和雌性中具有不同的接觸，這可能有助于調(diào)節(jié)MAYEX的差異表達(dá)。

4. MAYEX下調(diào)降低X染色體的表達(dá)水平：使用了兩種CRISPR干擾(CRISPRi)方法，以及針對MAYEX基因組位點(diǎn)不同區(qū)域的三種sgRNAs，研究結(jié)果表明，dCas9-sgRNA復(fù)合物能有效干擾MAYEX的表達(dá)，濃度越高，沉默效果越強(qiáng)。與對照細(xì)胞相比，RNA-seq數(shù)據(jù)揭示了CRISPRi實(shí)驗(yàn)中X染色體的下調(diào)，在靠近MAYEX位點(diǎn)的地方有顯著的影響，在更遠(yuǎn)的位點(diǎn)上減弱。試圖通過RNA干擾(RNAi)減少M(fèi)AYEX的表達(dá)，使用三種靶向MAYEX的RNA，但沒有成功。

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