探究花斑貓背后的X染色體失活

傅洪端 胡雪峰

(福建師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 福州 350108)

在第22屆國(guó)際生物學(xué)奧林匹克競(jìng)賽中有一道試題： 下列有關(guān)橙色/黑色花斑貓遺傳規(guī)律的描述哪個(gè)是正確的？

A. 有一半的雄貓是花斑貓

B. 花斑色的表現(xiàn)型是基因互作的結(jié)果

C. 花斑色的表現(xiàn)型與基因重組有關(guān)

D. 花斑色的表現(xiàn)型是X染色體隨機(jī)失活的結(jié)果

E. 橙色雄貓和黑色雌貓交配的后代是花斑色

貓的毛色性狀是由X染色體上的一對(duì)等位基因決定的，XB基因決定黑色性狀，Xb基因決定橙色性狀[1]。對(duì)于雄性貓來(lái)說(shuō)，XBY表現(xiàn)為黑色貓，XbY表現(xiàn)為橙色貓；對(duì)于雌性貓而言，XBXB表現(xiàn)為黑色貓，XbXb表現(xiàn)為橙色貓。那么，XBXb會(huì)表現(xiàn)為什么顏色呢？本文就花斑貓的產(chǎn)生及其背后的機(jī)制進(jìn)行介紹。

1 花斑貓與X染色體失活

在XY性別決定機(jī)制的生物中，雌性個(gè)體的體細(xì)胞中含有兩條X染色體，細(xì)胞通過(guò)隨機(jī)失活某條X染色體來(lái)調(diào)控某些蛋白的表達(dá)量，這種現(xiàn)象稱為X染色體失活[2]。上述題目中基因型為XBXb的雌貓，在胚胎發(fā)育過(guò)程中需要通過(guò)X染色體失活的表觀遺傳效應(yīng)來(lái)控制自身基因的表達(dá)。如果細(xì)胞中帶有XB基因的染色體失活，則表達(dá)Xb基因，性狀為橙色，反之為黑色；而早期經(jīng)歷X染色體失活后的胚胎細(xì)胞所分裂而來(lái)的子代細(xì)胞都保持相同的X染色體失活現(xiàn)象，從而產(chǎn)生了橙色和黑色相間的花斑貓。但是，我們?cè)谏钪谐丝吹匠壬秃谏呢堉猓€有黑白相間、橙白相間甚至三色貓，這是由于除了X染色體上存在決定毛色的基因之外，在常染色體上還存在著其他基因影響貓的毛色表型，如白化基因、斑點(diǎn)基因、淡化基因等。如果白化基因表達(dá)程度高，則會(huì)抑制黑色基因和橙色基因的表達(dá)，毛色表現(xiàn)為白色。基因的互作導(dǎo)致了貓毛色的多樣性，并且通常在生活中見(jiàn)到的三色貓都是雌貓。

2 X染色體失活的機(jī)制

X染色體的失活起始于X染色體失活中心(X inactivation center, XIC)，失活中心的XIST基因正向轉(zhuǎn)錄XISTRNA，反義轉(zhuǎn)錄出TSIXRNA。在細(xì)胞分化之前，雌性個(gè)體兩條X染色體均低水平表達(dá)XIST。當(dāng)細(xì)胞分化開(kāi)始之后，XIST的表達(dá)出現(xiàn)差異，只在一條X染色體上強(qiáng)烈表達(dá)。強(qiáng)烈表達(dá)產(chǎn)生XISTRNA的染色體將來(lái)會(huì)失活，因?yàn)閄ISTRNA偏好和轉(zhuǎn)錄它本身的染色體結(jié)合，使得X染色體的DNA甲基化，從而失去了轉(zhuǎn)錄的活性。其次，將組蛋白進(jìn)行修飾，如，誘導(dǎo)H3組蛋白第27位賴氨酸的甲基化，引發(fā)XISTRNA的上調(diào)，從而在XIST的5′端產(chǎn)生一個(gè)異染色質(zhì)的斑塊。同時(shí)，XISTRNA還募集多種蛋白質(zhì)結(jié)合到X染色體上，維持其失活狀態(tài)。

伴隨著XISTRNA擴(kuò)散覆蓋染色體導(dǎo)致基因的沉默，X染色體變成異染色質(zhì)狀的巴氏小體。而保持活性的X染色體上XIST仍處于低水平表達(dá)，并最終沉默。反義RNATSIXRNA是X染色體失活的負(fù)調(diào)控因子，研究表明，存在另一機(jī)制使得X染色體失活，即XISTRNA與TSIXRNA通過(guò)復(fù)性形成二聚體，并被Dicer酶剪切成對(duì)失活的X染色體進(jìn)行異染色質(zhì)修飾所必需的RNA[3]。

除此之外，DNA甲基化的差異也與X染色體失活過(guò)程密切相關(guān)： 在失活的染色體上，許多基因的啟動(dòng)子甲基化而失去了轉(zhuǎn)錄的活性，而XIST基因卻沒(méi)有被甲基化，可以持續(xù)產(chǎn)生XISTRNA。相反的，有活性的染色體上，XIST基因被甲基化了。

3 X染色體異常的相關(guān)疾病

X染色體上帶有約1000多種功能基因，對(duì)細(xì)胞的生命活動(dòng)具有重要作用。人類很多遺傳病基因位于X染色體上，所以X染色體的異常必然帶來(lái)一系列的表型異常。

3.1 隱性遺傳病基因型為雜合子的女性可能患病 一般來(lái)說(shuō)，某些位于X染色體上的隱性致病基因?qū)е碌募膊?如血友病)，基因型為雜合子的女性不會(huì)發(fā)病，但是對(duì)于一些重度血友病女性患者，如果在合成凝血因子的肝臟細(xì)胞中，帶有正常基因的X染色體失活了，則可能出現(xiàn)凝血因子合成功能障礙。此時(shí)，雜合子基因型的女性也會(huì)成為血友病患者[4]。

3.2 X染色體非整倍性引起的疾病 由于父方或母方在減數(shù)分裂形成配子的過(guò)程中出現(xiàn)異常，可能導(dǎo)致出現(xiàn)性染色體數(shù)目非整倍性的個(gè)體，如性染色體組成為XO的特納氏綜合征患者或XXY的克氏綜合征患者。由于X染色體上功能基因的成倍變化，必然帶來(lái)較大的表型異常。特納氏綜合征患者最常見(jiàn)的臨床表現(xiàn)包括身材矮小和性腺衰竭。X連鎖基因的表達(dá)對(duì)于正常的卵巢功能是必不可少的，特納綜合征的個(gè)體顯示出卵巢發(fā)育不全的事實(shí)支持了這一點(diǎn)。克氏綜合征患者最常見(jiàn)的臨床表現(xiàn)為第二性征的減少或缺失，身材高大，男子女性型乳房，且患乳腺癌的頻率高于XY男性[5]。

3.3 XCI偏斜和X連鎖基因突變引起的疾病 在人類中，X染色體的失活是隨機(jī)的。但在一些雌性動(dòng)物中，X染色體失活主要發(fā)生在母本或父本X染色體上，這種現(xiàn)象被稱為偏斜的X染色體失活。例如，有袋類動(dòng)物通常表現(xiàn)為父源X染色體失活。研究表明，人類中偏斜的X染色體失活與自身免疫性疾病(如自身免疫性甲狀腺病、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎和硬皮病)有關(guān)；如果X染色體失活偏斜發(fā)生在血細(xì)胞中，則會(huì)引發(fā)女性肺癌和食管癌。Rett綜合征是一種神經(jīng)發(fā)育障礙，主要由受XCI影響的X連鎖基因中的雜合突變引起。研究發(fā)現(xiàn)患者外周血中的XCI偏斜，當(dāng)患病女孩的血液中可以追蹤偏斜的XCI模式時(shí)，母系遺傳的染色體優(yōu)先表達(dá)[6]。

哺乳動(dòng)物X染色體含有許多與神經(jīng)系統(tǒng)功能相關(guān)的基因，其中有10%在智力殘疾患者中發(fā)生突變。在早發(fā)性癲癇發(fā)作中發(fā)現(xiàn)有X連鎖基因CDKL5的突變。

3.4 失活X染色體上的逃逸基因引起的疾病 在失活的X染色體上，并不是所有基因都失去轉(zhuǎn)錄活性，而是有部分基因(如XIST基因)逃逸了染色體的失活，繼續(xù)轉(zhuǎn)錄。逃逸現(xiàn)象普遍存在于人和小鼠中X染色體和Y染色體的同源區(qū)段，常隨著發(fā)育的不同階段而出現(xiàn)不同基因的逃逸。目前，人們發(fā)現(xiàn)逃逸基因的突變、缺失和重復(fù)會(huì)導(dǎo)致一系列疾病的發(fā)生，包括癌癥。例如，逃逸基因KDM6A突變與髓母細(xì)胞瘤、前列腺癌和腎癌的發(fā)生有關(guān)，并且會(huì)引起歌舞伎綜合征，患者表現(xiàn)為骨骼異常，生長(zhǎng)發(fā)育遲緩和輕度到重度智障[7]。除此之外，由于克氏綜合征和X三體綜合征患者含有多余的X染色體，失活X染色體上逃逸基因的異常表達(dá)水平使得患者的病理結(jié)果更加嚴(yán)重。

基因的逃逸現(xiàn)象又有著重要的意義，許多逃逸基因在Y染色體上并沒(méi)有它的等位基因，所以，在雌性生物中有雙倍的表達(dá)量，從而引起了不同性別的表型差異。而且，由于女性組織中是不同X染色體有活性的嵌合體，所以同卵雙胞胎中，女性的表型差異會(huì)比男性多。