胚胎干细胞在多能性改变过程中的X染色体的重塑

孙杨

【中图分类号】R197      【文献标识码】A      【文章编号】1672-3783（2020）06-0279-02

X染色体重激活的生理过程

非遗传因素能够影响细胞的功能，特性，及表型，这一现象在1942年被Conrad Hal Waddington 称之为“表观遗传”（epigenetics）。半个多世纪后，基于对表观遗传分子层面的研究，表观遗传被定义为染色质区域的结构性改变。造成这种改变的因素包括目前已知的6种DNA甲基化修饰，12种组蛋白修饰，以及非编码RNA的作用[1]。造成表观遗传现象的原因是基因的表观修饰调控，而表观修饰调控是一个可塑性的动态变化过程，众多的表观修饰蛋白复合体以及转录因子复合体介导或参与了这个过程。这些因素造成了染色质结构域的动态变化并影响了基因转录调控位点的开放性变化，由此，基因的转录得以实现时空特异性的调控。例如，定位于X染色体的17kb长链非编码RNA Xist在父源印记的表观修饰调控下，在雌性哺乳动物胚胎合子基因组激活（ZGA）后转录，转录后的Xist RNA顺式作用于父源X染色体（Xp）上，缠绕整个Xp染色体，Xist RNA的RepA位点招募YY1蛋白与转录抑制复合体PRC2结合到X连锁基因的调控区域，对这些被调控的基因进行组蛋白H3K27me3修饰，招募其他抑制复合体，从而进一步抑制Xp连鎖基因的转录[1， 2]。参与Xp连锁基因转录抑制的因素还包括DNA甲基化的动态修饰。可见，表观修饰通过多个层面的共同作用，达到一个较稳定的抑制Xp连锁基因转录的效果。

这种Xp连锁基因的转录抑制过程被称为父源印记失活（Xp-XCI）。ZGA前的胚胎主要依靠卵子来源的母源物质维持生理功能，ZGA后胚胎开始自主表达功能性基因。由于雌性哺乳动物具有两条X染色体（Xm，Xp），Xp染色体的失活维持了X连锁基因的剂量平衡[3]。

Xist在Xp-XCI过程中发挥着主导性作用，但不是唯一性作用。在小鼠中，尽管Xist在4细胞阶段就开始表达[3] ，Xp连锁基因的失活却是一个逐步建立的过程，如Rnf12，Kif4等基因在4细胞阶段就响应XCI[4]，而Fmr1，Pdnal在E3.0才开始响应XCI，此外还有如Atp6ap2这样逃逸XCI的基因[5]。

随着雌性小鼠胚胎的继续发育，在E3.5，囊胚内细胞团（ICM）中有部分细胞的Xp-XCI开始失去作用，如Abcb7，Rnf12，Atrx等基因在两条X染色体上都进行转录。但此时几乎所有ICM的细胞都有Xist表达，以及与Xist信号共定位的强H3K27me3信号。在E3.75以后囊胚的内细胞团（ICM）开始出现确定的谱系分化，一部分分化成原始外胚层细胞（epiblast），而另一部分分化成原始内胚层细胞（PE）[6]。在分化成PE的Nanog阴性细胞中，先前在两条X染色体上都转录的基因立即恢复XCI，只在一条X染色体上进行转录。而在分化成epiblast的Nanog阳性细胞中继续维持基因的二价表达。此后，伴随着epiblast的形成及胚胎的植入，到E4.0，epiblast细胞失去Xist表达云雾状信号，H3K27me3信号也大量减弱。Xp连锁基因开始正式解除Xp-XCI，Xp染色体被重新激活[5]，这个重激活过程使epiblast细胞中两条X染色体上的连锁基因维持一个短暂的二价表达过程，直到E5.5左右[7]。

Xp连锁基因的重激活过程在ICM即将进入谱系分化的时候开始，此时虽然ICM细胞具备Xist及H3K27me3的抑制修饰，但Xp染色体可能已经进驻了某些修饰及转录因子复合体，对Xp的结构进行改造，导致Xist和H3K27me3对Xp连锁基因的抑制作用变得不够稳定，于是部分基因在此时发生一个早期的重激活。当ICM开始进行谱系分化后，epiblast细胞中完全撤除了Xist及H3K27me3的抑制作用，Xp连锁基因完全被重新激活。由此可见，X染色体的重激活发生在E3.5-E5.5的epiblast细胞内。

胚胎干细胞的na?ve多能性及primed多能性下的Xist变化

新形成的epiblast是一个10-20个细胞的非特化结构，将此时的epiblast细胞注射到另外一个囊胚，能分化成所有的细胞谱系[8]。此时的epiblast具备一种被称作ground state的基态，它是一种干细胞特有的多能状态，这种状态在体内只能维持较短的时间。将此时的epiblast分离出来在体外进行培养，人工诱导成为具备体外自我更新能力的胚胎干细胞系（ESCs）。ESC细胞返回体内环境能够形成囊胚嵌合体和畸胎瘤，说明它具备基态epiblast的能力，并且具备与基态epiblast类似的表观修饰。雌性ES细胞有两条激活的X染色体，低表达Xist。胚胎植入后（E5.5-6.5），epiblast形成单层细胞结构的卵柱，其外被hypoblast（PE来源）所覆盖，中间的epiblast细胞凋亡形成原始羊膜腔。此时雌性胚胎的两条X染色体开始发生随机失活，其中一条回复到抑制状态，Xist表达增加[7， 9]。将此时的epiblast分离出来在体外进行培养，人工诱导出另一种称作EpiSC的干细胞系，它不再具有基态epiblast的性质，虽然也具备干性，能在体外分化成多种谱系的细胞，也能在成体中嫁接生成畸胎瘤[10]，但是不再具备囊胚嵌合能力[11]。与E5.5后的雌性epiblast细胞一样，雌性EpiSC细胞中Xist表达，一条X染色体被随机抑制。

这两种不同时期epiblast来源的ESC和EpiSC细胞代表了epiblast从一种na?ve多能性到primed多能性的状态改变。而其中na?ve到primed干性状态的改变也伴随着X染色体的激活与去激活。可以说X染色体的重激活是基态多能性的一个表观特性[9]。但这种特性只出现在雌性ESC细胞，雄性ESC细胞并不存在X染色体激活与失活过程。然而雄性ESC细胞依然具有na?ve的干性基态，因此X染色体的重激活并不可能是na?ve状态所必需的因素，而只是na?ve状态导致的现象。

參考文献

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