Cell：李丕龙团队揭示 Xist RNA 限制性扩散行为的生物物理学基础

丁香学术 · 公众号 · · 2025-02-03 16:58

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，清华大学生命学院李丕龙课题组与合作者在 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。

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 RepB-HNRNPK 凝聚体内化和浓缩 XCI 因子

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 RepB-HNRNPK 凝聚体润湿行为

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）。

Cell：李丕龙团队揭示 Xist RNA 限制性扩散行为的生物物理学基础

正文

请到「今天看啥」查看全文