早在1961年，莱昂（M.F.Lyon）就提出了关于雌性哺乳动物体细胞的两条X染色体中会有一条发生随机失活的假说，并认为这是X染色体连锁基因的剂量补偿机制。研究表明在给定的体细胞有丝分裂谱系（cell lineage）中，有一条X染色体是完全失活并呈异染色质状态，而在另一个细胞谱系中同一条X染色体又可以是活化的且呈常染色质状态。在这两种状态中，X染色体的DNA序列虽然是完全一样的，但一旦失活状态建立，就会在细胞谱系中稳定地遗传下去。所以，X失活是典型的表观遗传现象，而且是以整条染色体为靶标的表观遗传修饰的一个特例。多年来X失活的细胞生物学和分子生物学机制一直是表观遗传学研究的重要对象。
1996年，彭尼（G.D.Penny）等对X失活现象进行了深入的研究，发现X染色体的Xq13.3区段有一个X失活中心（X-inaction center，Xic）（图5-19）。X失活是从Xic区段开始启动，然后扩展到整条染色体。Xic长约1 Mb，包括4个已知基因：Xist、Xce、Tsix和DXPas34。第一个是X染色体失活特异性转录子（X-inactive specific transcript，Xist）基因，它是X染色体上启动转录最早的基因，但它的转录产物没有开读框架（ORF），所以不编码蛋白质。两条X染色体的Xist基因都能从上游启动子启动Xist RNA的稳定转录，但随后只有一条X染色体产生的Xist RNA将这条染色体自身整体包裹，并启动异染色质化和失活过程。而另一条X染色体转录的Xist RNA会很快裂解，这条X染色质则呈常染色质状态，整条染色体上的基因都具有表达活性。值得注意的是Xist RNA在失活的X染色体表面呈现锚钉样排列，提示它可能与染色体上特定的蛋白质相结合而形成稳定的结构。
从图5-19可见，Xic区段的第二个基因Xce（X-chromosome contoolling element）在基因组中的组成与X染色体的随机失活中的选择有关，当Xce处于纯合状态时，在体细胞中的X失活是完全随机的，而在杂合态时，失活就不是完全随机的。Xic区段的第三个基因Tsix是位于Xist下游的瞬时调控元件。最近发现Tsix中包含CTCF的结合位点，提示CTCF与Tsix可能协同起着Xist的外源开关功能。Xic区段的第四个基因DXPas34富含CpG，包括一个15 kb的微卫星重复序列，提示对X失活有一定调控作用。失活X染色体有两个显著特点：一是组蛋白H4不被乙酰化；二是CpG岛的高度甲基化，特别是X染色体失活特异性转录子是不编码蛋白质的非编码RNA（nc-RNA），这种nc-RNA在表观遗传修饰中的作用引起了广泛的注意，也已经成为表观遗传学研究的一个重要内容。
图5-19 X染色体失活中心的结构及功能调控示意
最近几年利用胚胎干细胞对X染色体失活的研究，促进了对lncRNA在X染色体失活过程中的重要作用的了解。研究表明，雌性体细胞X染色体的随机失活始于对X染色体的计数和对未来活性或失活X染色体的选择，以即将失活X染色体的Xist基因转录的非编码RNA的上调为标志。任何X染色体被失活的概率随着X染色体对常染色体的比率增加而增加，提示X染色体编码的激活子参与了X染色体随机失活的计数过程。为了启动X染色体失活，Xist必须超越Tsix参与设定的阈值。在抵消Tsix过程中，X染色体编码的激活子对Xist表达具有剂量依赖性激活作用；常染色体编码的抑制子则表现为对Xist的剂量依赖性抑制作用。已有证据表明：在细胞核内，X染色体编码的激活子浓度确实可以触发X染色体失活。2009年，格里努尔（J.Gribnaul）等发现：X连锁基因Rnf12编码的E3泛素连接酶RLIM能以剂量依赖的特点反式激活Xist。因此，雌性体细胞可以通过调节RLIM蛋白表达量去失活其中一条X染色体（图5-20a）。Rnf12位于Xist上游550 kb处。作为激活子，RLIM蛋白可以通过直接激活Xist或者间接干扰Tsix顺式调节位点以及其他调控元件（如Xce）而起作用。当激活作用超越抑制作用时，Xist的RNA被转录，从而启动X染色体失活，因此也顺式关闭Rnfl2的一个等位基因。
在小鼠胚胎干细胞分化过程中（图5-20b），正负信号必须在调控位点被整合，只有信号强度达到刺激阈（虚线）时Xist才能表达。在未分化的细胞中，Oct4和Nanog等多潜能因子可以阻止Xist的表达；在分化早期阶段，多潜能因子被下调，整合的Xist刺激逐渐增强并在雌性细胞中超过激活阈值；此外，与雄性体细胞相比，雌性体细胞中还包含较多的X染色体连锁的Xist激活子；加之在该阶段发生的同源配对（灰色箭头）打破了Xist之间的对称，阻止了Xist两个等位基因同时被激活的趋势。在分化晚期，Xist RNA介导的顺式沉默下调X染色体连锁的激活子，导致刺激信号减弱，最终使得X染色体上的基因活性在雌雄个体细胞内达到平衡。
显然Xist RNA在X染色体失活过程中起着信号分子的作用，它由拟失活的X染色体表达，并包裹住转录该1ncRNA的X染色体，导致整个X染色体上基因表达的抑制。Tsix是与Xist重叠的另一个1ncRNA，能以顺式作用抑制Xist RNA的表达。而在X染色体失活过程中逐渐表达和积累的lncRNA Jpx则能激活失活X染色体上Xist RNA的表达。Xist、Tsix和px这三个在失活X染色体上转录的lncRNA暗示对相应基因组区域的基因沉默被启动（图5-21 a、b）。然后，通过诱饵、向导和分子支架作用来招募功能性蛋白质或蛋白复合物完成整条X染色体的失活（图5-21c）。
图5-20 胚胎干细胞中Xist位点介导X染色体失活过程示意（改自E.P.Nora）
尽管我们对X染色体失活分子机制的研究有了长足的进步，但新的问题总是层出不穷。例如，在详细分析Xist招募PRC2复合物时，不仅获得了这两种大分子直接结合的实验证据，也发现在拟失活的X染色体上频频出现的另一种蛋白质多梳招募因子（polycomb recruitment factor）起着帮助对PRC2复合物的招募，随后使组蛋白中被甲基化的H3K27me3组分增加（图5-22）。
随着实验方法的不断改进，学者们发现X染色体失活的实际情况比想象的还要复杂。通过对Xist基因的结构修饰，如在Xist 5′端的微小插入XistIvs，或者Xist的倒位插入XistIVN都会显著影响失活的进程和结果。图5-23只是Xist的多个结构域与核小体抑制复合物之间多因素多环节交互作用的示意图。
英国牛津大学的布罗克多夫（N.Brockdorff）在莱昂假设发表50周年时曾经告诫说：对于X染色体失活这件事，我们应该理清哪些是已经搞清楚的，哪些是还不那么清楚的，哪些是我们自以为清楚了，而实际上是一种错误的认识，因而也还是不清楚的。其实，后一种认识让我们更难摆脱似乎已经建立了科学法则的虚幻而去探索正确的认识。所以，作为基因组表观遗传调控的经典模型，有关X染色体失活分子机制的研究今后无疑仍将是表观遗传学研究的重要内容。
图5-21 X染色体失活相关的lncRNA（改自J.T.Lee）
（a）lncRNA Xist从失活的X染色体（Xi）上的失活中心Xic转录，Xist RNA覆盖整条X染色体，并通过组蛋白和DNA的表观遗传修饰导致基因沉默；（b）Xic的核心区域及其包含的多种lncRNA；（c）Xi上的lncRNA和蛋白质的相互作用：c-1，Tsix的作用是阻挠PRC2-RepA荷载至染色质而引起X染色体失活；c-2，Tsix的失表达可释放PRC2；c-3，PRC2-RepA荷载至染色质并使拟失活的Xi甲基化；c-4，Jpx RNA的合成伴同Tsix的合成停止导致Xist RNA的表达启动，Xist RNA随即与PRC2结合；c-5，PRC2-Xist在拟失活的X染色体上向两侧扩展延伸，最终导致整条X染色体甲基化
图5-22 Xist招募 PRC2的两种模式（改自N.Brockdoff）
（a）直接招募；（b）通过多梳蛋白间接招募
图5-23 Xist不同结构域与核小体抑制复合物之间交互作用示意（改自N.Brockdorff）
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