果蠅基因劑量補償的實現機制*

張露丹 王瑞雪 孫 林

（北京師范大學生命科學學院 北京 100875）

基因劑量補償是指染色體雖有劑量變化，但其基因的表達量與正常二倍體的表達量是近似相等的。該現象最早在果蠅白眼等位基因中被發現，在XY 型性染色體性別決定生物中，X 染色體基因劑量補償已被廣泛研究。在果蠅中，雄性個體通過2 倍上調轉錄以平衡單條染色體對轉錄豐度的影響。近年來，有關果蠅基因劑量補償的研究已有極大進展，但其分子機制一直存在爭議，研究者主要持有2 種觀點：平衡模型和激活模型。

1 平衡模型

平衡模型的主要內容是：雄性個體X 染色體劑量不一致所導致的反式劑量效應往往會使基因組表達量上調約2 倍。同時，MSL 復合體會將組蛋白修飾物定位于X 染色體上，以避免常染色體上發生基因劑量補償，同時防止X 染色體上的基因過 表達［1］。

1.1 反式劑量效應 在遺傳學研究過程中，研究者發現，單個染色體拷貝數的改變比整個染色體倍性變化對個體表型的影響更大，并據此提出了基因平衡假說（gene balance hypothesis），以解釋該現象的分子基礎［2］。果蠅的非整倍體樣本表現出對于酶活性和蛋白質、RNA 水平表達的調節，而不是倍性的平衡變化，這種調節通常與不同染色體的劑量呈正相關或負相關。由于基因劑量改變而引起的基因表達量的變化稱為基因劑量效應，包括正向劑量效應和反式劑量效應2 種影響［3］（圖1）?；蚪M內的基因劑量補償正是通過這2 種基因劑量效應相互作用實現的。正向劑量效應指的是基因表達量與基因劑量變化呈現正相關；而反式劑量效應指的是基因表達量與基因（某染色體片段或完整的染色體）劑量變化呈現負相關。反式劑量效應通過調控轉錄因子和級聯效應相關的基因，在非整倍體全基因組內產生廣泛影響。這使得拷貝數變化的染色體基因能通過2 種劑量效應維持與正?？截悢抵幸恢碌谋磉_水平，而其他染色體上的基因表達水平出現與非整倍體數量變化相反的變化趨勢。當染色體數目從二倍體中的2 條增加至三體個體中的3 條，基因正向劑量效應會隨著染色體劑量的增加變為150%，而與此同時，產生的反式劑量效應會作用于全基因組內，并將變化染色體片段上的基因及其他正常染色體基因表達量均下調為67%［4］。數量發生變化的染色體上的基因同時受到正向劑量效應和反式劑量效應共同調控，最終可維持與正常二倍體一致的表達水平，即實現劑量補償現象。但其他染色體的基因表達量在未發生正向劑量效應的變化的同時，僅受到反式劑量效應的調控，因此，它們的表達水平下降至67%（圖1）。

圖1 三體和單體中的劑量補償

1.2 MSL 復合體 雄性特異性致死（male-specific lethal，MSL）復合體是富集在雄性果蠅X 染色體周圍的一種蛋白質復合體，其組成成分包括雄性特異性致死蛋白1、2、3 （MSL1、MSL2、MSL3），組蛋白乙酰化酶（MOF），RNA/DNA 解旋酶（MLE）和磷酸激酶（JIL-1）6 種蛋白質亞基及2 種非編碼RNA（roX1 和roX2）［5］。其中MOF 負責乙酰化組蛋白H4 的16 位的賴氨酸殘基（H4K16Ac），使組蛋白乙?；揎椩谛坌訶 染色體上富集。由于MSL 復合物可精準結合在X 染色體的特定區域，組蛋白修飾因子MOF 和JIL1 激酶遠離常染色體，從而消除了在常染色體上可能發生的反式劑量效應［5］。此過程是對正常雄性中發生的基因組失衡的一種反應，它將確保X 染色體表達量得到補償，而常染色體不會過度表達。但這并不意味著MOF 富集導致的高乙酰化引起了單個X 染色體的上調。性別致死基因（sxl）的表達決定了MSL 的性別相關性［5］。在雌性中，sxl早期產物對晚期轉錄物進行“自我”剪接，繼續表達，并發生級聯剪接決定性別分化。SXL 蛋白與MSL2 蛋白的mRNA結合，并阻斷其在雌性中的表達。雄性中SXL 蛋白的缺失使得msl2基因得以表達，而MSL2 蛋白正是復合體組裝必不可少的組分。

研究者通過敲除雌性果蠅X 染色體上MSL2和SXL 的結合位點，使MSL 復合物可組裝并定位到雌性的X 染色體上。結果表明，MOF 在X 染色體上富集，H4K16Ac 組蛋白修飾水平隨之增加，但X 染色體連鎖的大部分基因表達量并未顯著增加［5］。相反，許多常染色體基因的表達量是顯著下調的。實際上，MSL 復合體負責進行適度的劑量補償，并發揮一定的抑制作用以防止基因過表達。其機制可能是隨著X 染色體上組蛋白修飾物的增加，其染色質結構發生變化，導致染色質重塑［1］。異染色質蛋白1（HP1）在雄性X 染色體上富集，但其與劑量補償效應的相關性尚待探索［6］。此外，遺傳篩選表明MSL 復合物并不是限制劑量補償的唯一因素，例如，Overcompensating male（ocm）被認為是MSL 復合體的限制因子，其雄性缺失突變體死亡是X 連鎖基因過度表達的結果［7］。這表明了ocm在劑量補償中起約束基因過表達的作用，并且研究者發現ocm和MSL 復合物可相互抑制，這進一步支持了該假設，但ocm調節MSL 復合物活性的機制尚不清楚。

2 激活模型

基于雄性果蠅基因表達水平上調至2 倍以補償兩性間基因表達這一結果，一些研究者提出了果蠅基因劑量補償的另一種實現機制——激活模型。在用于解釋果蠅X 染色體超活化的過程中，MSL 復合體扮演著關鍵角色。在激活模型中，MSL復合體可特異性地結合于雄性X 染色體上的多個高親和力位點（也稱為染色質進入位點CES，chromatin entry site）［8］，攜帶自身的組蛋白修飾子從CES 順式擴散到側翼序列，對相關位點的組蛋白進行修飾以改變染色質結構，例如，將MOF 蛋白富集至X 染色體，促進X 染色體連鎖基因的轉錄起始，JIL-1 會導致組蛋白H3 第10 位絲氨酸殘基磷酸化，進而實現雄性X 連鎖基因表達的2 倍上調［9］。

2.1 MSL 復合體介導的劑量補償機制 MSL 復合體結合會導致H4K16Ac 的增加，從而使染色質更加松散。然而，這種調節在劑量補償中的作用尚不清楚。隨著技術的不斷進步，研究者對MSL 復合體介導的劑量補償機制存在幾種不同的猜想。

“轉錄伸長模型”認為，H4K16Ac 修飾在劑量補償中的潛在作用是減少劑量補償基因轉錄過程中的RNA 聚合酶Ⅱ的抗扭強度［10］。但由于缺乏雌、雄之間的比較，很多研究者對此猜想提出了批評，這導致了啟動子近端RNA 聚合酶Ⅱ富集模型的出現。最初，在雄性X 連鎖基因啟動子處的RNA 聚合酶富集約2.2 倍，從而驗證了該模型［11］。而之后的研究發現，分析流程中的計算錯誤導致X 連鎖基因之間的RNA 聚合酶富集數據夸大，這就消除了僅基于啟動模型的可能性［12］。在進一步使用核苷酸水平的RNA 聚合酶Ⅱ作圖后，研究者提出了“跳躍開始和獲得”模型。H4K16Ac 的發生提高了釋放RNA 聚合酶Ⅱ的速率并降低了早期轉錄終止的風險，使得RNA 聚合酶Ⅱ在基因中過度積累，從而導致轉錄產物的增加［13］。

2.2 激活模型存在的問題 由非整倍體所引發的基因表達變化不僅局限于發生劑量改變的染色體連鎖基因，而是在全基因組具有廣泛性。激活模型雖能解釋兩性間X 染色體中的劑量補償效應，但不能解釋X 染色體與常染色體之間的基因表達失衡現象。研究者檢測了含有3 條染色體的超雌果蠅的基因表達情況，發現超雌體果蠅中不含有MSL 復合體，但在X 連鎖基因中同樣發現了劑量補償現象，且常染色體的基因表達水平出現了不同程度的下調［14］。此外，激活模型無法解釋雄性染色體相關基因的性別二態性的傾向，對于雄性果蠅X 連鎖基因如何精確實現2 倍上調的機制，該模型也沒有給出準確的描述。

3 總結與展望

隨著基因劑量補償研究的不斷深入，激活模型已無法解釋一些相關現象，例如，X 染色體三體超雌果蠅中的基因劑量補償及雄性常染色體表達中的性別二態性［1］。此外，多個實驗室已報道了幾種不同的非整倍體常染色體劑量補償現象，在一定程度上表明，基因劑量補償現象隨染色體劑量的改變而固有發生，這與平衡模型中的反式劑量效應相符合。因此，平衡模型更能科學合理地解釋基因劑量補償的分子調控機制。

但平衡模型中仍存在尚未解決的問題，例如，當MSL 復合物被解離時，X 染色體相關基因的劑量補償現象是否會消失。相關研究表明，基因的劑量補償現象并未消失，但是常染色體上的基因表達水平呈現上調［1］。因此，常染色體的基因表達水平就無法作為標準值檢測X 染色體基因表達量，并且常染色體的變化有可能會改變調節機制的化學計量學［3］，有關基因劑量補償喪失與否需要重新考量。