在自然界中，許多動(dòng)物具有異形的性染色體（如X和Y染色體）。在漫長(zhǎng)的進(jìn)化過(guò)程中，一條性染色體（例如Y染色體）逐漸退化，僅保留少量基因，導(dǎo)致性染色體（如X染色體）上很多基因的劑量在不同性別之間存在差異。例如，人類女性有兩條X染色體，而男性只有一條X染色體。為了應(yīng)對(duì)這種基因劑量不平衡，很多物種進(jìn)化出了“性染色體劑量補(bǔ)償”（sex chromosome dosage compensation）機(jī)制，在不同性別間平衡基因表達(dá)水平。有趣的是，這些以整條染色體為單位的表觀調(diào)控機(jī)制中，往往有長(zhǎng)非編碼RNA（lncRNA）的參與。例如，人類和小鼠雌性體內(nèi)有一種叫做XIST的長(zhǎng)非編碼RNA，它能使XX雌性細(xì)胞中一條X染色體表觀失活，相關(guān)基因的表達(dá)被關(guān)閉，而果蠅則通過(guò)雄性個(gè)體中表達(dá)的另一種叫做roX的長(zhǎng)非編碼RNA實(shí)現(xiàn)XY雄性中唯一一條X染色體的表觀激活。
盡管這些機(jī)制在表觀調(diào)控模式上看似截然不同，但它們都依賴于長(zhǎng)非編碼RNA的核心作用。為什么性染色體劑量補(bǔ)償機(jī)制中總是有長(zhǎng)非編碼RNA的參與？為什么有些生物選擇對(duì)整條染色體進(jìn)行激活，而另一些物種選擇失活？這些問(wèn)題至今仍未解答。此外，傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，參與性染色體劑量補(bǔ)償?shù)拈L(zhǎng)非編碼RNA僅特異性地結(jié)合在X染色體上，其在常染色體上的作用則鮮有研究，也尚未明確其生物學(xué)意義。
2025年1月2日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所的馬晴研究員團(tuán)隊(duì)在《Nature Communications》雜志在線發(fā)表了題為“A noncanonical role of roX?RNAs in autosomal epigenetic repression”的最新研究成果，揭示了果蠅長(zhǎng)非編碼RNA roX在常染色體上的非經(jīng)典表觀抑制功能。這項(xiàng)研究不僅打破了傳統(tǒng)認(rèn)知，還加深了我們對(duì)RNA在基因表達(dá)調(diào)控中復(fù)雜作用的理解，同時(shí)為合成生物學(xué)中非編碼RNA工具的開(kāi)發(fā)提供了重要線索。
文章上線截圖
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)多組學(xué)數(shù)據(jù)的綜合分析，揭示了長(zhǎng)非編碼RNA roX在常染色體上發(fā)揮的新功能。研究人員比較了ChIRP-seq（解析RNA在基因組上的結(jié)合位點(diǎn)）和ChIP-seq（解析組蛋白修飾或表觀調(diào)控因子在基因組上的結(jié)合位點(diǎn)）數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)roX與常染色體的結(jié)合并不涉及其在X染色體上的激活機(jī)制，而是展現(xiàn)出不同的調(diào)控方式。進(jìn)一步的表觀基因組狀態(tài)分析（包括ChIP-seq、PIRCh-seq和RT&Tag技術(shù)，解析組蛋白修飾在基因組上結(jié)合位點(diǎn)或相關(guān)的RNA）和基因序列特征分析表明，roX可能通過(guò)與抑制型組蛋白修飾H3K27me3的功能相關(guān)聯(lián)，在常染色體上執(zhí)行表觀抑制的角色。
圖1 長(zhǎng)非編碼RNA roX在常染色體上的結(jié)合與PRC復(fù)合物介導(dǎo)的H3K27me3修飾功能相關(guān)
a. roX?RNA與MSL復(fù)合物及PRC復(fù)合物的共定位分析結(jié)果；b. roX結(jié)合位點(diǎn)鄰近區(qū)域組蛋白修飾的富集分析情況；c. H3K27me3免疫沉淀樣品中roX2?RNA的富集檢測(cè)結(jié)果；d. roX基因敲除后雄性果蠅幼蟲(chóng)轉(zhuǎn)錄組的差異表達(dá)情況；e. 常染色體上受roX抑制調(diào)控的部分基因GO功能富集分析結(jié)果；f. RNA pull-down實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證roX2與相關(guān)蛋白的相互作用情況.
通過(guò)RNA測(cè)序（RNA-seq）技術(shù)，研究人員對(duì)比了roX缺失前后果蠅基因的表達(dá)變化，發(fā)現(xiàn)常染色體上與roX結(jié)合的基因大多數(shù)表達(dá)量升高，而這與X染色體上基因表達(dá)下降的情況形成鮮明對(duì)比。進(jìn)一步的功能分析（GO分析）顯示，常染色體上受roX抑制的基因的功能與發(fā)育過(guò)程密切相關(guān)，部分基因特別涉及雌性分化和發(fā)育。這一發(fā)現(xiàn)暗示，雄性發(fā)育過(guò)程中可能需要通過(guò)roX抑制常染色體上與雌性分化和發(fā)育相關(guān)基因的表達(dá)，確保雄性正常的發(fā)育程序得以進(jìn)行。?此外，研究人員通過(guò)質(zhì)譜分析（ChIRP-MS）鑒定了與roX相互作用的蛋白，并通過(guò)體外實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了部分關(guān)鍵候選分子的直接互作。結(jié)果顯示，roX能夠與Polycomb抑制復(fù)合物（PRC）的一些組分發(fā)生相互作用，而PRC復(fù)合物可以促進(jìn)H3K27me3的積累。這一機(jī)制進(jìn)一步解釋了roX在常染色體上抑制基因表達(dá)的功能。
圖2 長(zhǎng)非編碼RNA roX在基因組表觀調(diào)控中扮演雙重角色的機(jī)制
這項(xiàng)研究綜合證明，果蠅的長(zhǎng)非編碼RNA roX不僅具有表觀激活功能，還在常染色體上具有非經(jīng)典的表觀抑制功能。在X染色體上，roX通過(guò)激活型MSL復(fù)合物調(diào)控雄性劑量補(bǔ)償；而在常染色體上，roX則通過(guò)與PRC復(fù)合物協(xié)作，抑制與雌性發(fā)育相關(guān)的基因表達(dá)，確保雄性正常發(fā)育。這一發(fā)現(xiàn)不僅揭示了roX?RNA的“雙重角色”，還為理解長(zhǎng)非編碼RNA如何協(xié)調(diào)染色體間的表觀調(diào)控機(jī)制提供了新視角。本研究從果蠅這一模式生物出發(fā)，揭示了長(zhǎng)非編碼RNA參與基因表達(dá)調(diào)控的全新機(jī)制，同時(shí)為合成生物學(xué)中非編碼RNA工具的開(kāi)發(fā)提供了重要線索。
中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所馬晴研究員為本文的通訊作者，課題組助理研究員李健健、研究助理徐舒陽(yáng)和研究助理劉自聰為共同第一作者。澳門大學(xué)邵寧一教授，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所的李楠研究員和陳明海副研究員為本研究提供了幫助和支持，本工作獲得了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省合成基因組學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、深圳合成基因組學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以及深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院等多個(gè)項(xiàng)目的支持。
PI與課題組簡(jiǎn)介
馬晴，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所研究員，博士生導(dǎo)師。入選國(guó)家級(jí)青年人才，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃合成生物學(xué)青年項(xiàng)目首席科學(xué)家。課題組主要研究方向：基因組非編碼區(qū)域以及非編碼RNA在干細(xì)胞分化和表觀遺傳調(diào)控中的功能和機(jī)理，合成生物學(xué)非編碼RNA工具的發(fā)掘和開(kāi)發(fā)。研究成果以一作或通訊作者發(fā)表在Developmental Cell、Genome Biology、National Science Review、Nature Communications、eLife、Development等國(guó)際專業(yè)期刊。
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