Current Biology | BRD4介导早期胚胎X染色体剂量上调

2022-09-22 20:48:06, BioArt

X染色体与Y染色体是哺乳动物最常见的性别决定模式，二者结构上差异的出现是哺乳动物进化的标志性事件之一。X、Y染色体结构上的差异必然导致基因剂量在雌雄之间以及性染色体与常染色体之间的失衡。而染色体剂量平衡是维持基因组稳态，保证细胞存活和正常生长的前提。因此，哺乳动物在进化过程中建立了两种染色体剂量平衡机制来维持基因组稳态：雌性通过失活1条X染色体达到与雄性性染色体之间的剂量平衡，即X染色体失活（X-chromosome inactivation，XCI）；雌性及雄性中具有活性的1条X染色体通过转录上调实现性染色体与常染色体之间的剂量平衡，即X染色体上调（X-chromosome upregulation，XCU）【1】。自20世纪60年代提出至今，雌性通过失活1条X染色体进而达到雌雄之间X染色体剂量平衡已有较多报道，其机制在小鼠中的研究也较为完备；而同时代提出的X染色体剂量上调这一假设鲜有报道。随着转录组测序技术兴起，才逐渐在体细胞中得到证实。但是关于XCU的调控机制至今仍未得到明确的阐述，特别是在早期发育过程中，XCU的特征、机制及发育学功能，仍是令人着迷的科学问题。

2022年9月14日，Current Biology在线发表了中国农业大学田见晖教授团队青年拔尖人才安磊教授题为A small proportion of X-linked genes contribute to X chromosome upregulation in early embryos via BRD4-mediated transcriptional activation的研究论文，揭示了早期胚胎X染色体通过上调基因表达，进而平衡性染色体与常染色体剂量的新机制，并证实了其对早期胚胎发育能力的重要意义。

XCU是通过转录及转录后修饰调控基因表达的生物学事件【2】，这导致XCU的研究借助于测序技术的发展才逐渐得以开展。此前关于XCU的研究一直缺乏合适的算法来度量染色体之间的基因补偿剂量和X染色体连锁基因对染色体剂量的贡献。该课题中，作者针对早期胚胎各染色体转录组动态变化，建立了合理的算法度量X染色体剂量补偿的动态特征。作者通过对早期胚胎转录组数据进行深度分析，首次发现XCU是伴随着合子基因组激活（Zygotic genome activation，ZGA）的进程启动和发生的。在雌性胚胎中，XCU与XCI协同调控X染色体的表达剂量，这一特征在小鼠和牛之间表现出很强的保守性。在父本Xist突变的雌性胚胎中，即雌性胚胎印记失活无法正常发生时，XCU依然能够发生，说明XCU的启动和发生是独立于XCI的，但会导致雌性附植前胚胎X染色体剂量异常升高，破坏基因组稳态。

为了探究X染色体上调基因对XCU的贡献是否相当，作者计算了上调基因对XCU的贡献值，并且意外地发现，X染色体上仅少量基因（约4%）为XCU做出了绝大比例的贡献，与整条染色质发生的XCI形成了鲜明对比。

图1. 雌性和雄性8细胞时期胚胎、桑葚胚和囊胚相对于4细胞时期胚胎XCU贡献基因的贡献比。

BRD4是一个被熟知和广泛关注的转录调节因子，能够特异地识别乙酰化的组蛋白赖氨酸残基，通过促进转录复合体（包括转录延伸因子和POLII）的装配，进而促进基因的转录【3】。该研究筛选出了BRD4作为XCU的潜在调控因子并证实了BRD4在启动附植前胚胎XCU中具有重要作用，BRD4缺失会导致XCU不充分，进而干扰囊胚线粒体功能并损伤胚胎发育潜能。

图2. BRD4缺失干扰囊胚线粒体功能并损伤胚胎发育潜能。

进一步，研究团队还发现了BRD4异常表达导致的XCU紊乱与胆管癌等疾病的发生密切相关，说明由BRD4调控的XCU对于维持成体细胞稳态同样至关重要。

早期胚胎的染色体剂量平衡机制对于发育环境非常敏感。此前，田见晖教授团队曾率先揭示了体外受精（in vitro fertilization，IVF）培养环境中视黄酸的缺乏会导致IVF胚胎XCI不足，进而引发雌性胚胎死亡，最终导致IVF胚胎出生性别比例失衡【4】，为动物胚胎生产和人类辅助生殖中IVF胚胎表观修饰错误的修正和IVF培养体系的提高，提供了重要的思路。该研究关于早期胚胎XCU发生规律和调控机制的揭示，不仅填补了发育学领域中染色体剂量平衡机制的重要空白，也为今后IVF发育体系的改善和相关疾病的治疗提供了重要的参考。

中国农业大学动物科学技术学院田见晖教授团队的青年拔尖人才安磊教授为论文通讯作者，团队博士研究生吕晴霁、杨潜颖为论文共同第一作者。

原文链接：

https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(22)01381-1

制版人：十一

参考文献

1. Ohno, S. Sex Chromosomes and Sex-Linked Genes (Springer). 1967

2. Sangrithi M N, Turner J M A. Mammalian X Chromosome Dosage Compensation: Perspectives From the Germ Line[J]. BioEssays, 2018, 40(6): 1–8.

3. Zhang G, Liu R, Zhong Y, Plotnikov A N, Zhang W, Zeng L, Rusinova E, Gerona-Nevarro G, Moshkina N, Joshua J, Chuang P Y, Ohlmeyer M, He J C, Zhou M M. Down-regulation of NF-κB transcriptional activity in HIV-associated kidney disease by BRD4 inhibition[J]. Journal of Biological Chemistry, 2012, 287(34): 28840–28851.

4. Tan K, An L, Miao K, et al. Impaired imprinted X chromosome inactivation is responsible for the skewed sex ratio following in vitro fertilization[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2016, 113(12): 3197-3202.