Nat Cell Biol丨乙酰化作用是有丝分裂中X染色体差异维持的关键

摘要：在哺乳动物中，雌性（XX）通过一条X染色体的转录沉默来平衡与雄性（XY）之间X连锁基因的剂量，这一过程称为X染色体失活（XCI）。在细胞间期，失活的X染色体（Xi）会形成独特的巴氏小体（Barr body），其特征是富集了Xist非编码RNA、Xist结合蛋白

撰文丨易

在哺乳动物中，雌性（XX）通过一条X染色体的转录沉默来平衡与雄性（XY）之间X连锁基因的剂量，这一过程称为X染色体失活（XCI）。在细胞间期，失活的X染色体（Xi）会形成独特的巴氏小体（Barr body），其特征是富集了Xist非编码RNA、Xist结合蛋白以及抑制性的组蛋白修饰，如H3K27me3。然而，当细胞进入有丝分裂期时，染色体被高度压缩，大多数转录因子和RNA被驱逐，包括Xist RNA本身也会从染色体上解离。一个核心的、悬而未解的科学问题是：在细胞分裂过程中，当经典的沉默机制（如Xist RNA）暂时失效时，细胞是如何“记住”X染色体的活性（Xa）与失活（Xi）状态，并将这种表观遗传记忆传递给子代细胞的？

近日，英国牛津大学Amanda G. Fisher和Dounia Djeghloul在Nature Cell Biology期刊上发表题为Hbo1 and Msl complexes preserve differential compaction and H3K27me3 marking of active and inactive X chromosomes during mitosis的研究论文，发现组蛋白乙酰化转移酶复合物（Hbo1和Msl/Mof）通过维持Xa染色体特定乙酰化修饰，在有丝分裂期主动守护了活性与失活X染色体在压缩程度和H3K27me3标记上的差异，揭示了乙酰化而非去乙酰化过程对表观遗传记忆传承的关键作用。

本研究采用了一套非常先进且严谨的技术组合来直接分离和比较有丝分裂期的Xa和Xi染色体。核心方法是流式染色体分选术。首先从雌性小鼠B淋巴细胞前体（mpre-B）中制备中期染色体悬液，然后使用DNA染料（Hoechst 33258和Chromomycin A3）进行染色，从而可以根据染色体的DNA含量和GC/AT比例通过流式细胞仪将它们分离开来。为了区分Xa和Xi，作者引入了一个关键创新：在染色过程中加入针对H3K27me3的荧光抗体。由于Xi染色体在间期就富含H3K27me3，并且证实这种标记在分裂期得以保留，因此可以利用H3K27me3信号的高低，将雌性细胞中的Xi（高H3K27me3）和Xa（低H3K27me3）染色体精确地分选出来。分选出的染色体纯度再通过DNA-FISH和使用染色体特异性探针进行验证。随后，对分选得到的数百万条染色体进行了定量蛋白质组学分析（LC-MS/MS），以比较Xa、Xi以及作为对照的常染色体和雄性X染色体上的蛋白质组成。此外，还运用了DNA-FISH、RNA-FISH、免疫荧光染色、DNA甲基化分析以及药理学抑制和遗传学方法来功能性地验证蛋白质组学结果。

研究结果证实，尽管XistRNA在细胞进入分裂中期后确实从Xi上解离，但Xi染色体固有的两个关键特征——高水平的H3K27me3修饰和更加压缩的染色体结构——在整个有丝分裂期都得以保留。这意味着有丝分裂期的Xi和Xa在物理形态和表观标记上仍然是不同的。

其次，蛋白质组学分析发现，与预期相反，传统的抑制性复合物（如PRC1, PRC2, DNMTs）或Xist结合蛋白在Xi染色体上并未显示出特异性富集。相反，组蛋白乙酰化转移酶（HAT）复合物（特别是Hbo1和Msl/Mof复合物）的组分在Xa染色体上显著富集，而Xi染色体则富集了组蛋白乙酰化的抑制因子（如Noc2l）。同时，Xa染色体上的组蛋白H3和H4的乙酰化水平（如H3K14ac, H4K16ac）也显著高于Xi。这表明，活跃的乙酰化过程是Xa染色体在分裂期的一个标志性特征，而不是之前普遍认为的完全去乙酰化。

最后，功能实验证明了这些乙酰化复合物对于维持X染色体的有丝分裂记忆至关重要。当使用抑制剂抑制Hbo1活性从而降低H3K14ac时，Xa染色体的压缩程度会增加，变得和Xi一样小，但H3K27me3模式不变。而当基因敲除Msl2或Mof（导致H4K16ac水平下降）时，不仅X染色体的尺寸发生变化，其H3K27me3的双峰分布（区分Xa和Xi的基础）也消失了，Xa和Xi变得无法区分。这些结果表明，Hbo1和Msl/Mof复合物通过调控特定位点的组蛋白乙酰化，分别独立地维持了X染色体在分裂期的差异压缩和差异H3K27me3标记，从而确保了X染色体状态的表观遗传记忆能够跨越细胞分裂而稳定传递。

总而言之，本研究通过染色体流式分选技术发现，在有丝分裂期间，Xist相关蛋白会从失活X染色体（Xi）上解离，但Xi上高水平的H3K27me3修饰及其相较于活性X染色体（Xa）更高的压缩状态得以保留。对分裂期Xi和Xa的蛋白质组学比较显示，Hbo1和Msl/Mof组蛋白乙酰转移酶复合物的组分在Xa上的富集程度显著高于Xi和常染色体。相反，组蛋白乙酰化抑制因子则倾向于在Xi上富集。更重要的是，抑制Hbo1活性或敲除Msl/Mof组分可从根本上消除有丝分裂中H3K27me3标记和染色体压缩程度的差异。这些数据表明了乙酰化通路在维持有丝分裂期X染色体特性中的关键作用。这项研究挑战了关于有丝分裂期表观遗传沉默的传统观点，揭示了组蛋白乙酰化这一通常与基因激活相关的修饰，在维持抑制性染色质状态的记忆过程中扮演着前所未有的关键角色。

制版人：十一

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