對抗自體免疫疾病的新希望:發現雌性免疫細胞如何將第二條 X 染色體去活化

作者 | 發布日期 2017 年 12 月 14 日 11:39 | 分類 生物科技 , 醫療科技 follow us in feedly

我們的身體擁有免疫系統能抵禦外來病原體的侵襲,因而讓我們免除疾病,但是在某些情況下免疫功能失調,會使我們自己的組織、細胞受損,甚至會有生命危險,這就是所謂的自體免疫疾病(Autoimmune Disease)。



過多未抑制的 X 染色體表現易引發自體免疫

自體免疫疾病發生在雌性身上的機率高於雄性,主要原因是雌性的性染色體(sex chromosome)為兩個 X。雌性哺乳類細胞中會發生 X 染色體去活化(X chromosome inactivation)過程,是指兩條 X 染色體其中一條失去活性的現象。X 染色體會包裝成異染色質(Heterochromatin),上面的基因受抑制而不表現,可使雌性不會因為擁有兩個 X 染色體而產生兩倍相同的基因產物。但有時在免疫細胞中,去活化的 X 染色體有某些基因能逃過該過程,使雌性額外表現免疫相關基因,造成異常的自體免疫。

在一項新研究中,賓夕法尼亞大學(University of Pennsylvania)的研究小組闡述了當免疫系統的 B 細胞,遇到外來抗原而開始在骨髓裡發育成熟時,X 染色體去活化的過程如何受到調控。他們研究女性體內的動態機制,闡明當轉錄因子(transcription factor)YY1 存在時,缺乏 X 染色體失活標記的 B 細胞,會在 B 細胞活化期間再度恢復這些修飾,一樣造成 X 染色體的去活性。

賓夕法尼亞州獸醫學院生物醫學系的助理教授 Montserrat C.Anguera 說:「令人驚奇的是,B 細胞既是抗體(antibody)也是自體抗體(autoantibody)的生產者,因此它們在保護性的免疫反應和自體免疫反應都至關重要。我們所面臨的一大問題是,為什麼啟動這種染色體的免疫細胞會受到不同的調節,而且如果當這些過程出現問題,究竟是如何導致自體免疫反應(autoimmunity)和自身耐受(self tolerance)功能的喪失?」

解開免疫細胞過度表現之謎

該研究發表在 PLOS Genetics,由 Anguera 的實驗室的博士生 Camille M. Syrett 所領導。Anguera 及其同事在《國家科學院學報》(Proceedings of the National Academy of Sciences)發表的一項研究中發現,初始的、未受刺激的女性淋巴細胞,包括 B 細胞和 T 細胞,都未能完全使 X 染色體去活性。研究表明,關鍵在於 Xist 這個非編碼的 RNA 轉錄物(non-coding RNA transcript)。X 染色體有一段稱為 X 去活化中心(X inactivation center,XIC)序列,XIC 序列帶有一個非轉譯的 RNA 基因,就是 Xist。Xist RNA 會從 XIC 位置開始,逐漸將其中一條 X 染色體包起來,不久就會發生基因沉默(gene silencing)現象。初始的淋巴細胞中,Xist 未能定位出該去活化的 X 染色體,就無法順利包覆它使之去活化。但當免疫細胞被激活後,Xist RNA 又會重新出現在適當的位置,完成它的工作。「我們相當好奇到底是什麼將 Xist RNA 引領回來。」Syrett 說。

該團隊使用螢光追蹤物來定位 Xist 在雌性小鼠中 B 細胞的位置。他們發現 B 細胞的前驅物(precursor),如造血幹細胞(hematopoeietic stem cell)和共同淋巴前驅細胞(common lymphoid progenitor),在去活化 X 染色體上可觀察到清晰的 Xist RNA。然而,當這些 B 細胞前驅物逐漸發展成為 B 細胞時,Xist RNA 似乎會先消失,然後才再度出現。

除此之外,他們還發現,在 X 染色體失活期間應該抑制基因表現的異染色質修飾(heterochromatin modification),在 B 細胞發育過程會消失。「這表明真的有一些非常不尋常的現象發生在雌性 B 細胞發育的過程」,Anguera 表示。

為了解 Xist 如何在 B 細胞激活後再度被帶回來使 X 染色體去活化,研究人員追蹤 B 細胞中的 Xist RNA。他們發現 Xist 的再現發生在兩個不同的階段:細胞被激活後 4 至 16 小時,開始出現 Xist RNA 零星的斑點。刺激後 16 至 30 小時,Xist RNA 僅集中在去活化的 X 染色體。異染色質修飾在第二階段也逐漸增加並定位在去活化 X。

RNA 非轉譯片段 Xist 扮演關鍵角色

該團隊研究指出,YY1 蛋白質是將 Xist 再度帶回來的關鍵角色。他們觀察缺乏 YY1 小鼠體內的 B 細胞,發現異染色質的標記大幅降低,且 Xist RNA 被重新定位回去活化 X 染色體的量也較少。

該小組還觀察到 YY1 能影響 X 染色體基因表達的證據。他們從雄性和雌性細胞中剔除 YY1 基因,並比較在 X 染色體差異表達的基因時,發現有 68 個基因只在雌性表現,1 個只在雄性表現,而共同表達的有 11 個。

在 68 個雌性特有基因中,許多都與免疫相關,已知至少兩種在人類女性的 B 細胞中過度表達。 進一步的實驗確定了 YY1 的 DNA 結合活性區,是將 Xist RNA 引領回到去活化 X 染色體的關鍵區。「它就像一條繫繩,將 Xist RNA 與去活化 X 染色體連結在一起。」Anguera 描述。

她和同事將進一步探索 YY1 的作用,使用臨床樣本和小鼠模型來研究狼瘡(lupus)等疾病的蛋白質,以了解細胞如何逃過 X 染色體去活化的過程來造成自體免疫疾病。

「若要開發自體免疫疾病的新療法,目前可以致力的方向是,如何將 Xist 帶回去活化 X 染色體並讓它長期留在那?」Anguera 提到。「YY1 會是一個非常有潛力的發展目標。」

▲ 左為雌鼠體內已激活的 B 細胞,右為剔除 YY1 基因的 B 細胞,而紅色亮點為 Xist RNA。可看出當 YY1 不存在時,Xist RNA 便無法集中定位在 X 染色體。(Source:賓夕法尼亞大學

(首圖來源:shutterstock)