在哺乳动物中，雌性细胞为平衡X连锁基因的剂量，会随机失活其中一条X染色体。这条失活的X染色体在显微镜下呈现为致密的异染色质团块（称为巴氏小体），并在基因表达上处于转录抑制状态。然而，这种失活状态的结构基础——失活X染色体的三维折叠是如何建立和维持的，尤其是在发育过程中如何从活性状态转变为失活状态，仍是一个未解之谜。

2024年9月27日，马克斯·普朗克分子遗传学研究所的Edda G. Schulz和Alexandra Martitz在《自然-遗传学》的“新闻与观点”中，对同期Du, Z.团队发表的一项突破性研究进行了精彩解读。该研究利用先进的染色质构象捕获技术，绘制了早期小鼠发育过程中从胚胎干细胞到着床后胚胎的失活X染色体的三维结构图谱，发现失活过程经历了两个不同的压缩阶段，并揭示了一个以Xist位点为边界的兆碱基结构域，该结构域位于体细胞中已知的Dxz4分隔的兆碱基结构域之前。

核心发现：失活X染色体折叠的两步压缩模型

该研究的核心突破在于，首次以高分辨率追踪了失活X染色体在体内发育进程中的三维结构重塑过程，而非仅限于体外培养的细胞系。

1. 从活性状态到失活状态的转变

在启动X失活之前，活性X染色体和未来的失活X染色体具有相似的三维结构，以拓扑关联结构域为基本单位。Xist RNA的包裹启动了失活过程，但结构重塑并非瞬时完成，而是分阶段发生。

2. 第一步压缩：兆碱基结构域的形成

在失活的初期（胚胎干细胞分化早期，或植入前胚胎的早期），失活X染色体首先在Xist位点处形成一个“边界”，将整条染色体分割成两个巨大的兆碱基尺度的结构域（一个位于Xist的5'端侧，另一个位于3'端侧）。这两个结构域内部有较强的相互作用，而跨过Xist位点的互作被大大削弱。这种结构在体细胞中已不再存在。该兆碱基结构域的形成不依赖于已知的Dxz4介导的结构（Dxz4是体细胞失活X染色体中分隔两个超级结构域的关键边界），提示这是一种更早期的、暂时性的折叠模式。

3. 第二步压缩：Dxz4介导的超级结构域的出现

随着发育的推进（例如在植入后的上胚层细胞中或已建系的分化细胞中），早期的兆碱基结构域被“抹去”，取而代之的是以Dxz4位点为边界的、更精细的两个超级结构域。Dxz4在体细胞失活X染色体中作为“超级边界”，将染色体分为两个大的“结构体”（super-domains），分别称为“S1”和“S2”。在超级结构域内部，还存在亚兆碱基尺度的结构域，与活性X染色体中的拓扑关联结构域部分对应但对边界进行了重塑。

4. Xist与结构重塑的关系

Xist RNA对于启动第一部压缩（兆碱基结构域的形成）是必需的，但对于第二步压缩（Dxz4超级结构域的建立和维持）也是不可或缺的（虽然Xist不直接结合在Dxz4上，但其长期存在才能维持整体的异染色质状态和Dxz4边界的功能）。如果Xist被诱导去表达或失活，超级结构域会部分解体，但兆碱基结构域可能会重新出现，表明两步压缩程序在功能上可分离。

机制模型与意义

这项研究提出了一个关于失活X染色体结构建立的两步动态模型：

• 第一步（Xist依赖，早期）：Xist RNA涂层作为一个分子“胶水”，将X染色体上的局部区域凝聚成两个大的兆碱基结构域，在Xist处形成一个全局性的边界。这可能是为了快速沉默大部分基因，同时保护某些“逃逸失活”的基因免受沉默。

• 第二步（Xist依赖，晚期）：在Xist长期作用下，染色质环境发生改变（如组蛋白修饰H3K27me3、H3K9me2的富集），使得Dxz4位点（一个富含CTCF和黏连蛋白的复杂重复序列）能够作为强力的绝缘子发挥作用，将染色体进一步分割成两个超级结构域。这一步可能是为了稳定沉默状态，并精细调控结构域边界的形成。

该研究阐明了三维基因组折叠的“阶段特异性”：不同的发育阶段利用不同的边界元件（Xist locus vs. Dxz4）来组织X染色体的空间构型，以适应特定的功能需求（初始沉默 vs. 长期维持）。这为理解其他发育过程中的大规模染色质重塑（如合子基因组激活、细胞重编程）提供了范式。

未来展望

该研究开辟了多个未来探索方向：

• 功能验证：需要功能实验来测试兆碱基结构域的具体功能。例如，当强制阻止或过早诱导第二步压缩时，X失活的建立和维持是否会受影响？

• 调控分子：哪些分子（如CTCF、黏连蛋白、染色质修饰酶）参与了第一步压缩中的Xist边界形成？这些分子与第二步压缩中的Dxz4边界机制有何异同？

• 逃逸基因的定位：已知失活X染色体上有一部分基因（逃逸基因）能够逃避沉默。这些逃逸基因在三维空间中是否定位于两个结构域的边界附近？是否在第二步压缩中从“禁止”进入异染色质区？

• 人类发育：小鼠和人类的失活X染色体结构调控可能存在差异（例如，人类X染色体上存在Dxz4的同源物吗？）。需要在人类胚胎干细胞和胚胎中重复类似的研究。

参考文献

1. Schulz, E.G. & Martitz, A. (2024). Structural remodeling of the inactive X chromosome during early mouse development. Nature Genetics, 56, 2004–2005.

2. Du, Z. et al. (2024). Three-dimensional folding of the inactive X chromosome during mouse development reveals a two-step compaction process. Nature Genetics. https://doi.org/10.1038/s41588-024-01897-2

3. Loda, A., Collombet, S. & Heard, E. (2022). Gene regulation in time and space during X-chromosome inactivation. Nat. Rev. Mol. Cell Biol.

4. Froberg, J. E. et al. (2018). Megadomains and superloops form dynamically but are dispensable for X-chromosome inactivation and gene escape. Nat. Commun.