摘要：基因表达调控在不同性别之间展现出令人惊叹的分子巧思，仿佛一场精心编排的生命双重奏。X染色体失活（X chromosome inactivation，XCI）是雌性哺乳动物体细胞中通过异染色质化随机失活一条X染色体的过程，是实现基因剂量平衡的重要机制。过往的大量
基因表达调控在不同性别之间展现出令人惊叹的分子巧思，仿佛一场精心编排的生命双重奏。X染色体失活（X chromosome inactivation，XCI）是雌性哺乳动物体细胞中通过异染色质化随机失活一条X染色体的过程，是实现基因剂量平衡的重要机制。过往的大量研究证实经典长非编码RNA:Xist的表达、扩散和稳定维持依赖于一系列分子内外的复杂互作网络，例如HNRNPK、SPEN、PRC1和PRC2等一系列关键因子促进X染色体异染色质化，最终形成具有特定拓扑结构的高级染色质疆域，荧光显微镜下微米尺度的巴氏小体（Barr body）。X染色体失活（XCI）领域的一个重要未解之谜是，Xist RNA如何特异性地浓缩在失活的X染色体（Xi）上。进一步研究发现，Xist的第一个外显子中存在一个核心位点（nucleation site），其作用是将新生的Xist转录本锚定在X失活中心（Xic），并促进其在Xi上的顺式扩散。Xist的浓缩随后使其相互作用的蛋白质伙伴也富集于Xi上。尽管这一领域取得了一些进展，Xist RNA扩散的机制仍然未被完全阐明。关键问题包括：还有哪些X染色体上的决定因素调控Xist RNA的扩散行为？是什么限制了Xist RNA向其他染色体扩散？
1月16日，清华大学生命学院李丕龙课题组与合作者在《细胞》（Cell）杂志上在线发表题为“Xist RNA限制性扩散行为的生物物理学基础”（A biophysical basis for the spreading behavior and limited diffusion of Xist）的文章。该研究提出Xist特异性捕获并“软化”HNRNPK液滴，内化其它XCI关键因子，通过形成局部相分离分子网络限制并引导Xist扩散行为，最终促进建立Xi染色质高级拓扑结构。
研究者发现，Xist可以特异捕获HNRNPK液滴并迅速内化，进一步通过增强液-液相分离（LLPS）能力促进局部凝聚体形成。一系列生化结合实验结果显示，HNRNPK与Xist的相互作用以及HNRNPK相分离依赖于RGG结构域，且Xist的C-富集多价重复序列在调控凝聚体形成中起到关键作用。
图1 RepB-HNRNPK凝聚体内化和浓缩XCI因子
进一步研究发现，HNRNPK与Xist形成的凝聚体能够内化、捕获并浓缩其他关键的XCI因子，包括YY1、RING1B、SPEN和SMCHD1。Xist的加入显著降低了HNRNPK和XCI因子的分子扩散速度，并提高了局部浓度，促进XCI因子与Xist的结合。表明这种 LLPS 网络通过减少分子扩散率和提升局部浓度，提升了Xist核糖核蛋白复合物的组装效率，从而为XCI的稳定发生提供了高效的体系（图1）。
图2 RepB-HNRNPK凝聚体润湿行为
研究结果表明，HNRNPK凝聚体与游离的Xist之间能够产生相互的牵引力并产生润湿现象，在RNA的作用下，软化HNRNPK-Xist共相分离液滴，表现为铺展和扁平化增强的趋势（图2）。这些结果揭示了HNRNPK液滴与Xist RNA之间的相互作用促进了RNA以相分离通道的形式进行扩散，并通过增强液滴的形变和润湿行为维持Xist在X染色体扩散的高效性和稳定性。
最后，研究者通过在小鼠胚胎成纤维细胞（MEFs）和雌性小鼠胚胎干细胞（mESCs）中引入HNRNPK的LLPS缺失突变，观察到 Xist扩散受损，并伴随H2AK119ub1和H3K27me3标记丢失，表明Polycomb蛋白复合物（PRC1和PRC2）的富集受到破坏。ChIP-seq分析进一步证实了上述结果。在雌性mESCs的XCI发育过程中，携带LLPS缺失突变的细胞表现出类似的Xist扩散缺陷，同时伴随核体积增大和染色质去凝聚现象。CHART-seq分析表明，LLPS缺失突变突变显著削弱了Xist在X染色体失活区域的结合，而对逃逸基因的影响较小。in situ Hi-C分析发现，LLPS缺失突变导致A/B compartment的“交叉”染色质相互作用显著减少，同时边界更加清晰。此外，染色质短程相互作用在LLPS 缺失突变细胞中增加，表明LLPS功能对于平衡局部与长程交互具有关键作用。
图3 HNRNPK-Xist形成特化相分离，促发并维持Xist的限制性扩散与X染色体基因沉默
综上所述，研究者发现了经典长非编码RNA-Xist通过价态依赖的互作方式与HNRNPK形成特化相分离分子网络，协同内化XCI因子，促发并维持限制性扩散行为学特征，最终实现物种内部不同性别的基因计量学平衡（图3）。
清华大学生命学院副教授李丕龙与哈佛大学医学院教授Jeannie T. Lee为共同通讯作者。清华大学生命学院已出站博士后丁明瑞和哈佛大学医学院博士Danni Wang为共同第一作者。该研究得到了中国科学院生物物理研究所教授娄继忠和博士陈辉的大力支持，他们在生物力学和单分子实验上作出了不可或缺的贡献。哈佛大学医学院博士殷浩、清华大学生命学院2018级博士生孙文静和中国科学院生物物理研究所博士孙敏给予的宝贵建议和相关试剂。研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划的资助。最后感谢膜生物学国家重点实验室、北京生物结构前沿研究中心、清华-北大生命科学联合中心和清华大学显微成像平台给予的大力支持。
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来源：清华大学