深度解析｜不平等的遗传——X染色体失活偏移及其检测技术
深度解析｜不平等的遗传——X染色体失活偏移及其检测技术
X染色体失活是维持雌性动物基因平衡的关键机制，但当这一机制发生偏移时，可能会成为遗传疾病的催化剂。本文将深入解析X染色体失活偏移的原理、其与遗传疾病的关系，以及目前常用的检测技术。
在遗传调控的精密网络中，X染色体失活是维持雌性动物基因平衡的关键机制。然而，当这一机制发生偏移，它可能成为遗传疾病的催化剂。X染色体失活偏移打破了正常的随机性，导致其中一条X染色体在大多数细胞中失活，增加了X连锁遗传病风险，对患者的生长和生殖健康构成严重威胁。
图1 猫的阴阳脸现象与X染色体失活相关
X染色体失活（X Chromosome Inactivation, XCI），也称为里昂化（Lyonization），是指雌性哺乳类细胞中两条X染色体的其中之一失去活性的现象。在胚胎发育早期，雌性细胞中的两条X染色体中的一条会随机失活，形成所谓的巴尔小体（Barr body），失活的X染色体上的基因不再表达，从而保证了雌性和雄性动物之间X染色体上的基因表达水平平衡[1]。
X染色体失活偏移（Skewed X Chromosome Inactivation, SXCI）则是指在某些情况下，X染色体失活不是完全随机的，而是倾向于失活某一条特定的X染色体。这种现象可能是由于遗传因素或者环境因素引起的。当一条X染色体失活的概率明显高于另一条时，就会出现X染色体失活偏移。X染色体失活偏移可能导致女性体内某些正常基因的表达水平下降，而携带致病突变基因的表达水平上升，呈现基因表达不均衡的现象，从而影响身体的正常功能和健康状况[2]。研究已经证实, SXCI与许多严重的X-连锁的遗传病以及一些女性好发肿瘤如杜氏肌营养不良症、血友病、蚕豆病、鸟氨酸氨甲酰基转移酶缺乏症、肾上腺脑白质营养不良、Rett综合征、湿疹血小板减少症伴免疫缺陷综合征、卵巢癌、乳腺癌以及食管癌等有关[3-5]。
目前，X染色体失活偏移检测多用“AR基因-STR甲基化酶切联合PCR法”。在失活的X染色体（Xi）上，通常存在不同形式的甲基化，甲基化会导致这些区域的转录受到抑制，而在活性的X染色体（Xa）上，这些区域则保持无甲基化状态。使用甲基化敏感性限制性内切酶对基因组DNA进行消化。这些酶能够识别并切割特定的非甲基化的DNA序列。通过这种方式，可以区分出基因组中的甲基化和非甲基化区域。消化后的DNA片段可以通过聚合酶链反应（PCR）进行扩增，并通过毛细管电泳技术进行分析，以确定X染色体的失活偏移情况。
图2 X染色体失活偏移检测原理示意图
选取人雄激素受体（androgen receptor, AR）基因作为目的基因，利用女性体细胞的X染色体失活嵌合性和X染色体基因多态性进行检测。当AR基因具有短串联重复序列（STR）长度多态性，即等位基因PCR产物长度不同时，基因组DNA在甲基化敏感型限制性内切酶HpaⅡ消化后再进行PCR扩增，通过毛细管电泳可以显示出长度不同的、分别来自于经甲基化失活的父本（Xp）及母本（Xm）等位基因的两种产物，二者的信号强度反映了带有失活Xp和失活Xm的体细胞的相对比例[6]。
如图3所示，经HpaII酶切后，有活性的X染色体可以被消化成短的片段；无活性的X染色体则不会被酶切消化。分别以原基因组DNA和基因组DNA酶切后产物为模板，对AR基因中高度多态的STR进行PCR扩增和毛细血管电泳，最终根据酶切前后的信号强度来计算失活比例。
图3 X染色体随机失活及失活偏移检测结果
注：左侧双峰为AR等位基因峰，上图右侧单峰为酶切标记峰
当AR基因毛细管电泳峰为双峰时，根据下述公式信号强度计算失活比例：
α：父源X染色体失活比例＝酶切后父源X染色体信号强度/酶切前父源X 染色体信号强度；
β：母源X染色体失活比例＝酶切后母源X染色体信号强度/酶切前母源X染色体信号强度；
3:7 ＜ α:β ＜ 7:3时，为X染色体随机失活；
α:β ≥ 7:3时，为X染色体非随机失活，且失活来自父源；
α:β ≤ 3:7时，为X染色体非随机失活，且失活来自母源。
采用“AR基因-STR甲基化酶切联合PCR技术”是一种高效的分子生物学方法，该方法通过检测特定STR在AR基因上的甲基化模式，能够迅速且准确地评估女性个体中X染色体失活的杂合性状态。这种方法的核心在于利用甲基化敏感的限制性内切酶切割DNA，随后应用PCR扩增并分析酶切后的产物，从而揭示X染色体上等位基因的表达偏好。
因此，该技术为临床医生和遗传咨询师提供了一个有力的工具，帮助他们更精确地诊断和评估X染色体连锁遗传病的风险，并为患者及其家庭成员提供基于科学证据的遗传咨询和支持。
参考资料：
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[2] Saila,Lappalainen,Pauliina,et al.Androgen receptor gene CAG repeat polymorphism and X-chromosome inactivation in children with premature adrenarche.[J].Journal of Clinical Endocrinology & Metabolism, 2008.DOI:10.1210/jc.2007-2707.
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[6] Hiroyuki,Ishihara,Fumio,et al.Clinical features and skewed X-chromosome inactivation in female carriers of X-linked recessive spinal and bulbar muscular atrophy[J].Journal of Neurology, 2001, 248(10):856-860.DOI:10.1007/s004150170069.