Nat Genet：X染色体遗传多样性揭秘：克隆竞争塑造多样性景观

Nat Genet：X染色体遗传多样性揭秘：克隆竞争塑造多样性景观

X染色体失活（XCI）是真兽类哺乳动物中普遍存在的一种现象，它导致两条X染色体中有一条随机失去活性，以平衡XX雌性个体和XY雄性个体间X染色体上基因的表达水平。近日，英国伦敦帝国理工学院的研究团队在Nature Genetics杂志上发表了一项重要研究，揭示了X染色体遗传多样性如何通过克隆竞争机制影响生物发育，特别是淋巴细胞的形成。

X染色体失活（X chromosome inactivation，XCI）是指两条X染色体中有一条随机失去活性，导致该染色体上大多数基因沉默，以实现XX雌性个体和XY雄性个体间X染色体上基因表达处于同一水平，这个现象在真兽类哺乳动物例如人类和小鼠中普遍存在（图1）。

XX个体是克隆异质的，人类X染色体上蛋白质编码基因总共包含约40万个非同义SNP，这些SNP改变了它们的编码潜力，使得人类X染色体存在广泛的变异，产生克隆多样性，从而导致两组克隆在X染色体上存在相互排斥的序列变异。这种XX个体普遍存在的X连锁多样性对生物发育的潜在意义是什么？这些克隆是否存在相互作用？还有待进一步发掘。

近日，来自英国伦敦帝国理工学院的Matthias Merkenschlager研究小组在Nature Genetics杂志上发表题为Competition shapes the landscape of X-chromosome-linked genetic diversity的研究论文，这篇文章深入研究了人类STAG2基因中的X连锁编码变异，这种变异模式不同于随机变异，作者发现在存在XCI沉默变异等位基因的竞争克隆下，表达STAG2variant的小鼠模型中不能形成淋巴细胞，其原因和Stag2的野生型竞争者Stag2wt的克隆竞争有关，当STAG2variant克隆面临Stag2wt克隆的竞争时，其淋巴样命运选择受到抑制；而一旦去除Stag2wt克隆的竞争，STAG2variant克隆则能全面恢复它的细胞命运选择能力，表明表观遗传多样性克隆之间的相互作用可以在XX个体中发挥作用，揭示了X连锁遗传多样性在XX个体细胞命运选择中的独特作用机制。

图1: XCI及其克隆异质性

通过对来自1000基因组计划的3775个X染色体进行分析，作者发现序列变异与XCI及其克隆繁殖共同作用，在XX个体中产生了个体内遗传多样性。STAG2是一种在进化上高度保守的X连锁基因（图2），编码粘着蛋白（cohesin）亚基，调节基因组三维组织以及DNA复制、DNA修复和染色体稳定增殖，X连锁STAG2基因中的序列变异，例如如R370P破坏了粘着蛋白-CTCF的结合，影响基因组三维组织相关过程，说明XX个体内可能存在潜在的克隆异质性。

图2: 人X连锁STAG2基因的序列变异破坏cohesin-CTCF结合(Credit:Nature Genetics)

作者分析了杂合雌性小鼠的一系列细胞类型和组织，以确定活性X染色体携带Stag2wt等位基因的克隆与活性X染色体携带STAG2variant等位基因的克隆的贡献，发现STAG2variant克隆在Stag2wtSTAG2variant杂合雌性中未能对成熟T和B淋巴细胞产生实质性贡献，其原因是STAG2variant在XX杂合雌性小鼠中影响了CTCF结合，携带STAG2variant的活性X染色体的造血祖细胞不能进行淋巴特化和分化。

单细胞RNA测序显示在STAG2variant的造血祖细胞中，淋巴启动显著减少。与Stag2wt相比，STAG2variant的淋巴样祖细胞比例下降，而粒细胞/巨噬细胞祖细胞、红系祖细胞和巨核细胞祖细胞比例增加。尽管STAG2variant中的祖细胞总数减少，但造血干细胞（HSC）比例相对增加，且大部分处于静止状态。STAG2variant导致淋巴系造血分化受阻，但仍保留一定程度的淋巴启动潜力，它的效率低于Stag2WT祖细胞。

STAG2variant细胞在缺乏Stag2wt细胞时，能正常发育为胸腺和淋巴结细胞，并与Stag2wt对照没有区别。然而在Stag2wt细胞存在的情况下，STAG2variant祖细胞无法发育成淋巴细胞，不由得让人想到其中可能存在竞争机制：STAG2variant和Stag2WT克隆之间的竞争。STAG2variant祖细胞在面临Stag2wt细胞竞争时，其淋巴样潜能受到抑制。然而，当通过基因操作在造血祖细胞阶段去除Stag2wt细胞的竞争后，STAG2variant祖细胞能够展现出其淋巴潜力，产生正常数量的淋巴细胞，表明STAG2variant细胞本身具有淋巴分化能力，但这种能力受到WT细胞的竞争抑制。

与小鼠模型中的发现一致，在携带R370P STAG2错义变异rs777011872的血液来源的人类B细胞杂合子中，无法检测到STAG2变异克隆，这表明遗传变异能够驱动人类的X连锁竞争。

综上所述，这篇文章探讨了X连锁遗传变异对生物体发育的影响，揭示了XX个体中X染色体失活伴随的克隆增殖独特机制。特别聚焦到了Stag2遗传变异，发现STAG2variant克隆被排除在淋巴系统之外，并且，STAG2variant对淋巴系统特异性及细胞分化的影响，并非缘自克隆自身，而是其背后的Stag2wt与STAG2variant克隆之间复杂的相互竞争机制，这一发现挑战了传统对X连锁变异直接效应的理解。

非细胞自主机制在细胞类型与组织层面塑造了X连锁克隆的多样性，这是克隆相互作用的结果。鉴于X连锁遗传变异在人类中普遍存在，因此，在XX个体中通过克隆间相互作用来形成X连锁多样性的现象极可能是一种普遍的现象。未来的研究需要全面地理解X连锁遗传变异如何精细调控生物体发育，并为相关疾病的预防和治疗提供新的视角和策略。

本文原文来自Nature Genetics，原文标题为"Competition shapes the landscape of X-chromosome-linked genetic diversity"