胚胎干細胞在多能性改變過程中的X染色體的重塑

孫楊

【中圖分類號】R197 ?????【文獻標識碼】A ?????【文章編號】1672-3783（2020）06-0279-02

X染色體重激活的生理過程

非遺傳因素能夠影響細胞的功能，特性，及表型，這一現象在1942年被Conrad Hal Waddington 稱之為“表觀遺傳”（epigenetics）。半個多世紀后，基于對表觀遺傳分子層面的研究，表觀遺傳被定義為染色質區域的結構性改變。造成這種改變的因素包括目前已知的6種DNA甲基化修飾，12種組蛋白修飾，以及非編碼RNA的作用[1]。造成表觀遺傳現象的原因是基因的表觀修飾調控，而表觀修飾調控是一個可塑性的動態變化過程，眾多的表觀修飾蛋白復合體以及轉錄因子復合體介導或參與了這個過程。這些因素造成了染色質結構域的動態變化并影響了基因轉錄調控位點的開放性變化，由此，基因的轉錄得以實現時空特異性的調控。例如，定位于X染色體的17kb長鏈非編碼RNA Xist在父源印記的表觀修飾調控下，在雌性哺乳動物胚胎合子基因組激活（ZGA）后轉錄，轉錄后的Xist RNA順式作用于父源X染色體（Xp）上，纏繞整個Xp染色體，Xist RNA的RepA位點招募YY1蛋白與轉錄抑制復合體PRC2結合到X連鎖基因的調控區域，對這些被調控的基因進行組蛋白H3K27me3修飾，招募其他抑制復合體，從而進一步抑制Xp連鎖基因的轉錄[1， 2]。參與Xp連鎖基因轉錄抑制的因素還包括DNA甲基化的動態修飾。可見，表觀修飾通過多個層面的共同作用，達到一個較穩定的抑制Xp連鎖基因轉錄的效果。

這種Xp連鎖基因的轉錄抑制過程被稱為父源印記失活（Xp-XCI）。ZGA前的胚胎主要依靠卵子來源的母源物質維持生理功能，ZGA后胚胎開始自主表達功能性基因。由于雌性哺乳動物具有兩條X染色體（Xm，Xp），Xp染色體的失活維持了X連鎖基因的劑量平衡[3]。

Xist在Xp-XCI過程中發揮著主導性作用，但不是唯一性作用。在小鼠中，盡管Xist在4細胞階段就開始表達[3]?，Xp連鎖基因的失活卻是一個逐步建立的過程，如Rnf12，Kif4等基因在4細胞階段就響應XCI[4]，而Fmr1，Pdnal在E3.0才開始響應XCI，此外還有如Atp6ap2這樣逃逸XCI的基因[5]。

隨著雌性小鼠胚胎的繼續發育，在E3.5，囊胚內細胞團（ICM）中有部分細胞的Xp-XCI開始失去作用，如Abcb7，Rnf12，Atrx等基因在兩條X染色體上都進行轉錄。但此時幾乎所有ICM的細胞都有Xist表達，以及與Xist信號共定位的強H3K27me3信號。在E3.75以后囊胚的內細胞團（ICM）開始出現確定的譜系分化，一部分分化成原始外胚層細胞（epiblast），而另一部分分化成原始內胚層細胞（PE）[6]。在分化成PE的Nanog陰性細胞中，先前在兩條X染色體上都轉錄的基因立即恢復XCI，只在一條X染色體上進行轉錄。而在分化成epiblast的Nanog陽性細胞中繼續維持基因的二價表達。此后，伴隨著epiblast的形成及胚胎的植入，到E4.0，epiblast細胞失去Xist表達云霧狀信號，H3K27me3信號也大量減弱。Xp連鎖基因開始正式解除Xp-XCI，Xp染色體被重新激活[5]，這個重激活過程使epiblast細胞中兩條X染色體上的連鎖基因維持一個短暫的二價表達過程，直到E5.5左右[7]。

Xp連鎖基因的重激活過程在ICM即將進入譜系分化的時候開始，此時雖然ICM細胞具備Xist及H3K27me3的抑制修飾，但Xp染色體可能已經進駐了某些修飾及轉錄因子復合體，對Xp的結構進行改造，導致Xist和H3K27me3對Xp連鎖基因的抑制作用變得不夠穩定，于是部分基因在此時發生一個早期的重激活。當ICM開始進行譜系分化后，epiblast細胞中完全撤除了Xist及H3K27me3的抑制作用，Xp連鎖基因完全被重新激活。由此可見，X染色體的重激活發生在E3.5-E5.5的epiblast細胞內。

胚胎干細胞的na?ve多能性及primed多能性下的Xist變化

新形成的epiblast是一個10-20個細胞的非特化結構，將此時的epiblast細胞注射到另外一個囊胚，能分化成所有的細胞譜系[8]。此時的epiblast具備一種被稱作ground state的基態，它是一種干細胞特有的多能狀態，這種狀態在體內只能維持較短的時間。將此時的epiblast分離出來在體外進行培養，人工誘導成為具備體外自我更新能力的胚胎干細胞系（ESCs）。ESC細胞返回體內環境能夠形成囊胚嵌合體和畸胎瘤，說明它具備基態epiblast的能力，并且具備與基態epiblast類似的表觀修飾。雌性ES細胞有兩條激活的X染色體，低表達Xist。胚胎植入后（E5.5-6.5），epiblast形成單層細胞結構的卵柱，其外被hypoblast（PE來源）所覆蓋，中間的epiblast細胞凋亡形成原始羊膜腔。此時雌性胚胎的兩條X染色體開始發生隨機失活，其中一條回復到抑制狀態，Xist表達增加[7， 9]。將此時的epiblast分離出來在體外進行培養，人工誘導出另一種稱作EpiSC的干細胞系，它不再具有基態epiblast的性質，雖然也具備干性，能在體外分化成多種譜系的細胞，也能在成體中嫁接生成畸胎瘤[10]，但是不再具備囊胚嵌合能力[11]。與E5.5后的雌性epiblast細胞一樣，雌性EpiSC細胞中Xist表達，一條X染色體被隨機抑制。

這兩種不同時期epiblast來源的ESC和EpiSC細胞代表了epiblast從一種na?ve多能性到primed多能性的狀態改變。而其中na?ve到primed干性狀態的改變也伴隨著X染色體的激活與去激活。可以說X染色體的重激活是基態多能性的一個表觀特性[9]。但這種特性只出現在雌性ESC細胞，雄性ESC細胞并不存在X染色體激活與失活過程。然而雄性ESC細胞依然具有na?ve的干性基態，因此X染色體的重激活并不可能是na?ve狀態所必需的因素，而只是na?ve狀態導致的現象。

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