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Cell | 李丕龙/Jeannie Lee揭示“相分离凝聚围城”为长非编码RNA-Xist限制性扩散行为的分子网络基础

BioArt · 公众号 · 生物 · 2025-01-18 09:00

主要观点总结

本文介绍了基因表达调控在性别差异中的重要作用，特别是X染色体失活（XCI）领域的最新研究进展。文章重点关注了Xist RNA在X染色体失活中的扩散行为及其机制，以及一个研究团队对Xist和HNRNPK相互作用如何影响Xist扩散的研究结果。该研究揭示了Xist通过形成局部相分离分子网络促进XCI因子的内化，从而建立Xi染色质高级拓扑结构的机制。此外，文章还介绍了研究团队的成员和合作情况，以及该研究领域的未来发展方向和该研究的潜在应用。

关键观点总结

关键观点1: 基因表达调控在性别差异中的重要作用

介绍基因表达调控对性别差异的影响，特别是X染色体失活在雌性哺乳动物体细胞中的过程。

关键观点2: Xist RNA在X染色体失活中的关键角色

详细介绍Xist RNA在X染色体失活过程中的作用，包括其在形成巴氏小体（Barr body）和调控基因剂量平衡中的重要性。

关键观点3: Xist与HNRNPK相互作用的研究结果

阐述了一项研究如何揭示Xist通过形成局部相分离分子网络内化XCI因子，促进并维持其在X染色体上的限制性扩散行为。包括Xist与HNRNPK相互作用的具体机制，以及这一机制如何影响X染色体的拓扑结构和基因表达。

关键观点4: 研究的重要性和应用前景

介绍该研究的重要性，包括其在理解基因表达调控、细胞稳态、神经退行性疾病和神经发育中的潜在应用。同时提及研究团队的招聘信息和合作情况。

正文

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？

2025年1 月16 日，清华大学生命科学学院李丕龙课题组与合作者哈佛医学院Jeannie Lee在Cell杂志上在线发表题为 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。

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1

研究者进一步结果表明，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。

图2

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。

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）。