在自然界中，許多動物具有異形的性染色體（如X和Y染色體）。在漫長的進化過程中，一條性染色體（例如Y染色體）逐漸退化，僅保留少量基因，導(dǎo)致性染色體（如X染色體）上很多基因的劑量在不同性別之間存在差異。例如，人類女性有兩條X染色體，而男性只有一條X染色體。為了應(yīng)對這種基因劑量不平衡，很多物種進化出了“性染色體劑量補償”（sex chromosome dosage compensation）機制，在不同性別間平衡基因表達水平。有趣的是，這些以整條染色體為單位的表觀調(diào)控機制中，往往有長非編碼RNA（lncRNA）的參與。例如，人類和小鼠雌性體內(nèi)有一種叫做XIST的長非編碼RNA，它能使XX雌性細胞中一條X染色體表觀失活，相關(guān)基因的表達被關(guān)閉，而果蠅則通過雄性個體中表達的另一種叫做roX的長非編碼RNA實現(xiàn)XY雄性中唯一一條X染色體的表觀激活。

盡管這些機制在表觀調(diào)控模式上看似截然不同，但它們都依賴于長非編碼RNA的核心作用。為什么性染色體劑量補償機制中總是有長非編碼RNA的參與？為什么有些生物選擇對整條染色體進行激活，而另一些物種選擇失活？這些問題至今仍未解答。此外，傳統(tǒng)觀點認為，參與性染色體劑量補償?shù)拈L非編碼RNA僅特異性地結(jié)合在X染色體上，其在常染色體上的作用則鮮有研究，也尚未明確其生物學意義。

2025年1月2日，中國科學院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學研究所的馬晴研究員團隊在《Nature Communications》雜志在線發(fā)表了題為“A noncanonical role of roX?RNAs in autosomal epigenetic repression”的最新研究成果，揭示了果蠅長非編碼RNA roX在常染色體上的非經(jīng)典表觀抑制功能。這項研究不僅打破了傳統(tǒng)認知，還加深了我們對RNA在基因表達調(diào)控中復(fù)雜作用的理解，同時為合成生物學中非編碼RNA工具的開發(fā)提供了重要線索。

文章上線截圖

研究團隊通過對多組學數(shù)據(jù)的綜合分析，揭示了長非編碼RNA roX在常染色體上發(fā)揮的新功能。研究人員比較了ChIRP-seq（解析RNA在基因組上的結(jié)合位點）和ChIP-seq（解析組蛋白修飾或表觀調(diào)控因子在基因組上的結(jié)合位點）數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)roX與常染色體的結(jié)合并不涉及其在X染色體上的激活機制，而是展現(xiàn)出不同的調(diào)控方式。進一步的表觀基因組狀態(tài)分析（包括ChIP-seq、PIRCh-seq和RT&Tag技術(shù)，解析組蛋白修飾在基因組上結(jié)合位點或相關(guān)的RNA）和基因序列特征分析表明，roX可能通過與抑制型組蛋白修飾H3K27me3的功能相關(guān)聯(lián)，在常染色體上執(zhí)行表觀抑制的角色。

圖1 長非編碼RNA roX在常染色體上的結(jié)合與PRC復(fù)合物介導(dǎo)的H3K27me3修飾功能相關(guān)

a. roX?RNA與MSL復(fù)合物及PRC復(fù)合物的共定位分析結(jié)果；b. roX結(jié)合位點鄰近區(qū)域組蛋白修飾的富集分析情況；c. H3K27me3免疫沉淀樣品中roX2?RNA的富集檢測結(jié)果；d. roX基因敲除后雄性果蠅幼蟲轉(zhuǎn)錄組的差異表達情況；e. 常染色體上受roX抑制調(diào)控的部分基因GO功能富集分析結(jié)果；f. RNA pull-down實驗驗證roX2與相關(guān)蛋白的相互作用情況.

通過RNA測序（RNA-seq）技術(shù)，研究人員對比了roX缺失前后果蠅基因的表達變化，發(fā)現(xiàn)常染色體上與roX結(jié)合的基因大多數(shù)表達量升高，而這與X染色體上基因表達下降的情況形成鮮明對比。進一步的功能分析（GO分析）顯示，常染色體上受roX抑制的基因的功能與發(fā)育過程密切相關(guān)，部分基因特別涉及雌性分化和發(fā)育。這一發(fā)現(xiàn)暗示，雄性發(fā)育過程中可能需要通過roX抑制常染色體上與雌性分化和發(fā)育相關(guān)基因的表達，確保雄性正常的發(fā)育程序得以進行。?此外，研究人員通過質(zhì)譜分析（ChIRP-MS）鑒定了與roX相互作用的蛋白，并通過體外實驗進一步驗證了部分關(guān)鍵候選分子的直接互作。結(jié)果顯示，roX能夠與Polycomb抑制復(fù)合物（PRC）的一些組分發(fā)生相互作用，而PRC復(fù)合物可以促進H3K27me3的積累。這一機制進一步解釋了roX在常染色體上抑制基因表達的功能。

圖2 長非編碼RNA roX在基因組表觀調(diào)控中扮演雙重角色的機制

這項研究綜合證明，果蠅的長非編碼RNA roX不僅具有表觀激活功能，還在常染色體上具有非經(jīng)典的表觀抑制功能。在X染色體上，roX通過激活型MSL復(fù)合物調(diào)控雄性劑量補償；而在常染色體上，roX則通過與PRC復(fù)合物協(xié)作，抑制與雌性發(fā)育相關(guān)的基因表達，確保雄性正常發(fā)育。這一發(fā)現(xiàn)不僅揭示了roX?RNA的“雙重角色”，還為理解長非編碼RNA如何協(xié)調(diào)染色體間的表觀調(diào)控機制提供了新視角。本研究從果蠅這一模式生物出發(fā)，揭示了長非編碼RNA參與基因表達調(diào)控的全新機制，同時為合成生物學中非編碼RNA工具的開發(fā)提供了重要線索。

中國科學院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學研究所馬晴研究員為本文的通訊作者，課題組助理研究員李健健、研究助理徐舒陽和研究助理劉自聰為共同第一作者。澳門大學邵寧一教授，中國科學院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學研究所的李楠研究員和陳明海副研究員為本研究提供了幫助和支持，本工作獲得了科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、廣東省合成基因組學重點實驗室、深圳合成基因組學重點實驗室以及深圳合成生物學創(chuàng)新研究院等多個項目的支持。

PI與課題組簡介

馬晴，中國科學院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學研究所研究員，博士生導(dǎo)師。入選國家級青年人才，國家重點研發(fā)計劃合成生物學青年項目首席科學家。課題組主要研究方向：基因組非編碼區(qū)域以及非編碼RNA在干細胞分化和表觀遺傳調(diào)控中的功能和機理，合成生物學非編碼RNA工具的發(fā)掘和開發(fā)。研究成果以一作或通訊作者發(fā)表在Developmental Cell、Genome Biology、National Science Review、Nature Communications、eLife、Development等國際專業(yè)期刊。