X染色体去活化

雌性三色猫的斑驳毛色是X去活化的表现，“黑色皮毛”与“橙色皮毛”的等位基因位于不同的X染色体上。由于去活化的对象是随机选择，因此不同部位，会依保留活性之染色体的不同，而有不同的毛色。

X染色体去活化，又称X染色体失活或里昂化，是指雌性哺乳类细胞中两条X染色体的其中一条失去活性的现象。X染色体会被包装成异染色质，进而因功能受抑制而沉默化。

里昂化可使雌性不会因为拥有两个X染色体而产生两倍的基因产物，因此可以像雄性般只表现一个X染色体上的基因。对胎盘类，如老鼠与人类而言，去活化的X染色体是以随机方式选出；对于有袋类而言，则只有源自父系的X染色体才会去活化。

发现

大野干团队在1959年所发表的研究结果显示，哺乳类体内有两种不同的X染色体，一种相似于一般的体染色体；另一种则以浓缩化且异染色质化的型式存在。而英国遗传学家玛莉·里昂，也在1961年提出一项假说，认为有些异型合子的雌性老鼠之所以会有斑驳的毛色，是因为其中一条X染色体失去了活性，且毛色基因就位在此染色体上。此“里昂假说”同时也说明了为何雌性细胞内的其中一条X染色体是以浓缩型式存在，以及为何只有一条X染色体的雌性仍然拥有正常的生殖能力。另一方面，恩斯特·比尤特勒团队以异型合子女性研究G6PD缺乏症（蚕豆症）时，也发现正常与不正常的两种红血球，发表于1962年。

去活化过程

所有老鼠细胞中的父系X染色体，都会在胚胎发育早期过程中的双细胞到四细胞阶段，经历因印记而失去活性的过程。其中属于胚外组织（extraembryonic tissue，未来的胎盘）中的X染色体，将会持续保留此失活状态，因此在此部位只有母系X染色体具有活性。

而属于内细胞团（inner cell mass，未来的胚胎）的X染色体，将会在囊胚（blastocyst）时期再度恢复活性，此时这些部位内的两条染色体皆有作用。之后两条染色体的其中之一，将会独立且随机地失去活性，而且包括此细胞后代的X染色体在内，其活性将再也不会恢复。

因此，当雌性拥有异型合子性联基因时，将会依据每个细胞保留活性染色体的不同，而产生不同性状同时存在于同一个体上的“镶嵌”（mosaic）现象，母三色猫的毛色为其中的例子。人类的第八号凝血因子的基因位于X染色体上，因此如果男性携带致病基因必然导致血友病；而女性两条X染色体如果携带致病基因与不携带致病基因的各占一条，那么她的一部分肝细胞不能合成第八号凝血因子，其他肝细胞能够合成第八号凝血因子，所以她不会发病。无汗症也是受X染色体基因控制，因此携带此基因的女性会非常明显地表现出部分皮肤无汗，其他皮肤有正常排汗功能的“镶嵌”现象。

雌性生殖细胞中失活的X染色体则会恢复活性，因此卵子中的两条X染色体皆有活性。

机制

正常的雌性拥有两条X染色体，且在任何细胞中都会有一条保有活性，标记作Xa；另一条则失活，标记作Xi。研究显示即使是多于两条X染色体的细胞中，也只有一条染色体是Xa，其他将一律失去活性。此现象显示去活化才是预设状态，且只有一个X染色体会被选出成为具活性者。

目前的假说认为，体染色体上有某个基因会制造出“阻碍因子”（blocking factor）来与X染色体结合，进而防止此染色体失去活性。而且阻碍因子能力有限，当此因子与某个X染色体结合之后，剩下其他的染色体将不受保护。由于含有多条X染色体的细胞中只会有一条Xa；而且在体染色体数目为正常状况两倍的细胞中，也将会有两条保留活性的X染色体。使得上述模型获得支持。

X染色体上存在一种称为X去活化中心（X inactivation center，XIC）的序列，可调控X染色体的沉默化，是阻碍因子可能的结合位置。这些XIC序列是造成X染色体去活化的充要条件。当X染色体上含有XIC的部位与体染色体发生染色体易位时，将造成体染色体的去活化，同时失去XIC的X染色体将保留活性。XIC序列上含有两个非转译RNA基因，分别是Xist与Tsix，此两者参与了去活化作用。此外，XIC上含有一些结合位置，分别可供一些已知和未知调控蛋白（regulatory protein）结合。

Xist与Tsix基因

Xist基因会转录出RNA分子，且此RNA将不会转译成蛋白质，Xist是X去活化的主要影响因子，失活的X染色体外围会被XistRNA包覆，而Xa则没有这种现象。Xist是唯一会由Xi表现的基因，缺乏Xist基因的X染色体将无法去活化。而若以人工方式将Xist基因表现于其他染色体，将导致此染色体的沉默化。

在去活化作用发生以前，每条X染色体上的Xist基因都会有微弱表现。而在去活化过程中，Xa将会中止Xist的表现，同时Xi则会增强，使RNA产物增加。XistRNA会从XIC位置开始，逐渐将Xi包覆起来，而且这些XistRNA并不会作用到Xa上。Xi被RNA包覆过后不久就会发生基因沉默现象。

Tsix基因同样也会转录出一条无蛋白质产物的RNA分子。Tsix基因是Xist基因的反义序列，也就是说，两者实际上是来自同一段DNA上互补的两股，而他们的产物RNA也因此具有互补性。这使Tsix成为Xist的负向调节因子，使没有表现Tsix的X染色体比较容易被去活化。Tsix在去活化作用发生以前，同样会在每条染色体上微弱表现。当X去活化启动之后，Xi将会中止表现TsixRNA；相较之下，Xa上的Tsix将会继续表现大约几天的时间。

女性人类的纤维母细胞细胞核，左图是DAPI染色图；右图是同一细胞核利用针对macroH2A之抗体所得的图，可见其中macroH2A的分布情形。箭头所指为X染色体，也就是巴尔氏体所在位置。

巴尔氏体与基因沉默作用

Xi将不会表现其大多数的基因，原因在于Xi成为了受抑制的异染色质，其外围被包覆起来以防止大部分基因的表现，这种过程称为沉默作用（silencing）。包覆成异染色质的染色体Xi，比起如Xa般的真染色质具有较高的浓缩程度。失活的X染色体会在细胞核内形成一种构造上不连续的巴尔氏体。这些构造主要分布于细胞核的边缘地带，在细胞周期中将会较晚进行复制。

与Xa相较之下，Xi受到了高度DNA甲基化与组蛋白H3离氨酸-9甲基化；以及低度的组蛋白乙酰化（histone acetylation）与H3离氨酸-4[甲基化。这些作用皆与基因沉默作用有关。此外，有一种称为macroH2A的变形组蛋白只会出现在Xi中的核小体，而不会在一般的染色体上。

失活X染色体上的基因表现

即使遭受去活化的作用，Xi上除了Xist基因以外，还是有一些其他基因可以表现。这些维持作用的基因通常是以丛集方式存在，在老鼠体内只占有少量，在人类体内则占有约25%。许多得以在Xi上表现的基因，皆是一些同样表现于Y染色体的基因。这些可表现的区域称作假体染色体区（pseudoautosomal region），其中含有的基因不论是在哪一个性别，皆与体染色体一样两两成对，而不是像一般性染色体基因一样单独存在。

假体染色体区不受一般作用于Xi上的修饰过程，也只有较低量的Xist表现。由于这些区域中的基因可维持两倍表现，因此雌性不会因为Xi的失活而必须进行剂量补偿（dosage compensation）。此外，某些基因可在Xi维持表现的现象，解释了为何X染色体数量异常会造成健康上的缺陷。

参考文献

• Carrel L, Willard H. X-inactivation profile reveals extensive variability in X-linked gene expression in females. Nature. 2005, 434 (7031): 400–4. PMID 15772666. 
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• LYON M. Gene action in the X-chromosome of the mouse (Mus musculus L.). Nature. 1961, 190: 372–3. PMID 13764598. 

外部链接

• X-inactivation as a possible cause for autoimmunity （页面存档备份，存于互联网档案馆）

参见

• 巴尔氏体
• X-三体