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雌性哺乳動物有兩條X染色體（XX），而雄性只有一條X染色體，另一條是Y染色體（XY）。這種不同會導致一種潛在的失衡，相比於雄性，雌性體內的X染色體會有1000多個基因以兩倍量表達。已有證據表明這種失衡會導致早期胚胎死亡。
神奇的是，為了避免這種會造成嚴重後果的基因表達失衡，哺乳動物進化出了一種有效的解決方案：在每個具有兩條X染色體的細胞中，都有一條完整的X染色體被“沉默”，從而防止了RNA從其中轉錄出來。這個過程被稱為X染色體失活，是一個在雌性胚胎髮育的早期就會開始的過程。
雖然X染色體失活是一個已經被深入研究了幾十年的課題，但一直以來，科學家並不完全瞭解其背後的分子機制。他們知道的是，這一過程受到一種名為Xist的分子啟動。Xist是一種長鏈的非編碼RNA，是一種以細胞的DNA為模板的分子，它不攜帶任何製造蛋白質的指令。Xist會將染色體包裹，誘導其沉默。然而，科學家尚不清楚與Xist的沉默機制有關的細節。
直到最近，來自歐洲分子生物學實驗室（EMBL）和巴黎居里研究所的研究人員在《自然》期刊上發表了一篇論文，報道了他們用一系列實驗揭示了Xist是如何通過一種名為SPEN的蛋白質共同作用以使基因沉默的。這一研究為X染色體失活的分子基礎提供了重要的新見解。
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Xist是一種只會在將要失活的X染色體上才被表達的分子。它在將要失活的X染色體上局部擴散，並通過與一系列蛋白質結合使得染色體上的幾乎每個基因沉默。但是一直以來，Xist導致基因沉默的確切分子機制一直是個謎。
Xist最初究竟是如何開始抑制第一個活性基因的？解答這一問題的難點部分在於大多數與Xist結合的蛋白質都是未知的。在新的研究中，論文的第一作者François Dossin與他的同事識別出在X染色體失活過程中，Xist必須與SPEN蛋白質結合。
○ 活細胞中的SPEN蛋白質（綠色）。 | 圖片來源：François Dossin
為了研究SPEN在X染色體失活中所起到的作用，Dossin等人研究了它是如何在小鼠胚胎和胚胎幹細胞中誘導基因沉默的。他們首先做的是快速降解小鼠胚胎幹細胞中的SPEN，以降低SPEN的濃度。他們發現，Xist幾乎完全不能在沒有SPEN的情況下使X染色體上的基因沉默。這一結果首次證明，SPEN是小鼠體內發生X染色體失活的必要條件。他們還發現，SPEN會抑制X染色體上的那些試圖“規避”失活的“潛逃”基因。
通過在活細胞中用熒光標記分子，研究人員觀測到一旦Xist開始啟動X染色體失活過程，SPEN就會聚集到X染色體上。接著，Xist會與聚集在那裡的SPEN結合。然後，SPEN會與活躍基因的調控區域相互作用。
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在這次研究中，尤為令人眼前一亮的是，Dossin等人採用了一種叫新的名為“CUT&RUN”的技術來繪製SPEN在失活的X染色體上的位置。這表明，在Xist開始表達後不久，SPEN就與活躍的基因啟動子和基因強化子結合。當在基因沉默發生之後，SPEN就會從這些位點脫離。自此之後，基因在剩餘的細胞生命週期中，將一直以失活的狀態存在。
利用一系列經典和前沿的方法，研究人員剖析了SPEN在X染色體失活過程中所起到的作用。他們發現，在SPEN蛋白質中，一個名為SPOC的區域在基因沉默中起著主導作用。他們證實了這個區域能抑制DNA轉錄成RNA，並與幾種參與了RNA合成、染色質重構以及染色質修飾的蛋白質相互作用。
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幾十年來，Xist一直是RNA在調節基因表達方面的一個主要例子。通過研究這種RNA，研究人員或許已經發現了一個新的與基因調控有關的基本信息。領導了這項研究的Edith Heard 教授表示，對X染色體失活背後所有分子機制的探索才剛剛開始，她說：“我們發現，SPEN會與幾個與基因沉默相關的路徑相互作用。既然SPEN導致了X染色體失活過程中幾乎所有的沉默，因此下一個要解決的問題就是，這些路徑中有多少能有助於基因沉默。”
參考鏈接：
[1] https://news.embl.de/science/scientists-explore-how-females-shut-off-their-second-x-chromosome/
[2] https://www.nature.com/articles/d41586-020-00207-0#ref-CR10
[3] https://www.nature.com/articles/s41586-020-1974-9
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