X染色体失活触发了转录和染色体结构的戏剧性重编程。
然而，失活X染色体的染色质组织是如何在体内重新建立的仍然是一个谜。
2024年9月10日，
清华大学颉伟、王海峰、美国密歇根大学Sundeep Kalantry共同通讯
在
Nature Genetics
（IF=31.7）
在线发表题为
“
Stepwise de novo establishment of inactive X chromosome architecture in early development
”
的研究论文，
该研究
系统性描绘了小鼠胚胎失活X染色体三维染色质构象的从头建立过程
。
该研究在小鼠胚胎外系和胚胎外内胚层(XEN)细胞系的失活X染色体上发现了
Xist
分离的megadomain 结构(X-megadomains)，并且在胚胎系中短暂存在，在
Dxz4
描述的megadomain形成之前，以菌株特异性的方式在后期形成。
X-megadomain
结构域的边界与早期胚胎中
Xist
激活所需的
Xist
调控区内的强增强子活性和内聚蛋白结合一致。
Xist
调控区域的破坏或内聚蛋白降解破坏了胚胎外内胚层细胞的
X-megadomain
，并导致
Xist
附近的调控元件和基因的异位激活，这表明在调控元件上的内聚蛋白负载促进了
X-megadomain
并限制了局部基因的活性。
这些数据揭示了在X染色体失活的早期阶段，X染色体折叠和转录调控是逐步实现必需基因激活和全局沉默的。
在哺乳动物中，雄性和雌性之间X连锁基因的剂量补偿是通过长链非编码RNA
Xist
调控的X染色体失活(XCI)来实现的。
Xist
排除RNA聚合酶II (Pol II)和转录因子(TFs)，招募沉默蛋白如SPEN，组蛋白去乙酰化酶(HDACs)，多梳抑制复合物(PRC)蛋白和DNA甲基转移酶，最终建立“兼性异染色质”。
失活的X染色体(Xi)形成一个显微镜下区分的' Barr小体'。从机制上讲，
Xist
RNA排斥来自XCI的染色体结构因子，如粘聚蛋白，导致除含有逃逸基因的区域外的拓扑相关结构域(TADs)减弱。
随着
Xist
RNA从富含基因的结构域向缺乏基因的结构域扩散,A/B区室首先融合成更大的S1/S2区室，并通过染色体柔性铰链结构域蛋白1 (SMCHD1)的结构维持进一步融合成无区室的结构。
有趣的是，两个
“megadomains”都
在小鼠、猴子和人类的Xi上发现了，它们在富含CTCF的X-linked
Dxz4
macrosatellite上分离。X染色体的三维(3D)组织也通过引导
Xist
RNA扩散来促进XCI。
在
Smchd1
−/−
细胞中，S1/S2区室不能合并，与
Xist
RNA扩散缺陷、H3K27me3侵蚀和基因抑制相一致。
小鼠早期发育过程中X染色体结构动力学示意图（图源自
Nature Genetics
）
在小鼠中，父系遗传的X染色体(Xp)被选择性地沉默，因为母系的Xist被卵母细胞遗传的H3K27me3抑制。这种印迹XCI在四细胞期左右启动，而灭活的Xp在胚胎外组织中稳定维持。相比之下，胚胎外胚层细胞的Xp在着床期前后被重新激活，随后在胚胎日~5.0 (E5.0)时随机失活两条X染色体中的一条。
Xi的三维结构是如何从头形成的，已经在体外培养细胞系中进行了初步研究。一项单细胞Hi-C研究报告了早期囊胚中TADs的缺失和大结构域的缺失。然而，X染色体结构是如何在体内建立的仍然知之甚少。
该研究采用低输入Hi-C (sisHi-C)方法，系统地检测了小鼠从单细胞胚胎到E9.5胚胎外细胞和E13.5胚胎细胞X染色体的三维染色体结构，跨越了印迹和随机XCI的建立和维持。
综上所述，该研究揭示了小鼠早期发育中XCI从头建立过程中染色体结构的动态重组。
这些数据进一步揭示了3D基因组在平衡基因沉默和必要基因选择性激活方面的潜在功能。
参考消息：
https://www.nature.com/articles/s41588-024-01897-2
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