X 染色體失活（ X chromosome inactivation, XCI ）是雌性哺乳動物實現 X 染色體基因劑量平衡的關鍵機制。胚胎早期， 雌性細胞通過沉默其中 一條 X 染色體 ， 實現 X 染色體基因表達劑量與雄性細胞的平衡 。 一般認為 ， XCI 在個體水平上具有隨機性，即每個細胞中被失活的 X 染色體源自父系或母系的概率大致相等。然而，近年來借助單細胞 測序 分析 技術發現 ， XCI 在不同組織、 器官 之間存在異質性。例如，在某些生理或病理狀態下，細胞群體可能偏向失活父源或母源 X 染色體，形成 “ 偏斜性 XCI” （ skewed XCI ）模式，該現象已被報道與衰老、免疫功能異常及多種腫瘤相關。此外，部分 X 染色體基因可逃逸失活調控，在本應沉默的 X 染色體上持續表達，逃逸程度具有組織和細胞類型特異性 ， 這些逃逸 沉默的 基因可能導致性別 特異 表型。 然而領域尚缺乏在單細胞水平上系統 發現 雌性樣品中 XCI 異質性 ，并解析 失活 X 染色體 父源或母源 導致的功能差異 的工具 。

今日， 中國科學院動物研究所 、國家生物信息中心以及中國科學院計算機網絡信息中心團隊合作， 在Advanced Science期刊發表了題為FemXpress: Systematic Analysis of X Chromosome Inactivation Heterogeneity in Female Single-Cell RNA-Seq Samples的研究論文。該研究開發了一款系統分析雌性哺乳動物單細胞中X染色體失活的異質性的工具FemXpress。該工具無需額外輸入父母基因型信息，即可實現樣品中單細胞基于XCI信息的聚類和識別XCI逃逸基因。作者在多種哺乳動物和人類數據中驗證了FemXpress的準確性與通用性。

FemXpress 基于 雌性樣品 sc RNA - S eq 數據中 X 染色體上的雜合性 SNP 位點，首先構建等位基因連鎖關系圖，并采用多輪投票算法，在無需父母基因組信息的情況下，對細胞進行 XCI 來源分類，從而 根據細胞 失活的 X 染色體為父源或母源 把細胞聚為兩類 。隨后，在來源一致的 XCI 亞群內部， FemXpress 識別來自失活 X 染色體的等位基因共表達事件，進而篩選出具有逃逸表達特征的 X 染色體基因。此外，該工具還支持計算 X 染色體與常染色體表達量的比值，用于劑量補償狀態的評估。

首先， 作者利用 一套 女性 心臟 組織 scRNA - S eq 數據構建 模擬數據 對 FemXpress 進行性能評估。結果顯示， 在加入 0.05% 的測序錯誤的背景下， FemXpress 仍能實現 99.7% 的細胞分類準確率。該工具在 10 4 級別細胞數和中等覆蓋度數據條件下亦具備良好的運行效率，能夠在 10 分鐘內完成來源判別和逃逸基因檢測，為大規模數據分析提供了可行方案。

在真實 數據 中，研究者將 FemXpress 應用于 背景清晰的 雜交小鼠腦組織 scRNA - S eq 數據分析 。 結果顯示， 工具 在無 需 父母基因組 數據 的情況下，所得細胞分類與基于父母基因組的參考 分類 結果高度一致，驗證了算法的準確性與可靠性。在此基礎上，作者進一步識別出 12 個具有逃逸表達模式的 X 染色體基因，其中部分與已有文獻報道一致，為后續功能 發現 提供了線索。

進一步， 作者將 FemXpress 應用于食蟹猴的多個組織樣本，包括乳腺、肺和子宮等，系統分析了 器官 間 XCI 與 基因 逃逸表達的異質性。結果表明，個體在不同 器官 中存在顯著的 XCI 偏斜差異，部分組織表現出更 傾向 母源或父源 一方的 X 染色體失活模式。這些結果提示，在個體層面上， XCI 調控具有顯著的 組織 異質性， FemXpress 可作為有效工具捕捉這種組織間變異，為性別偏倚性狀的機制研究提供新思路。

綜上，本研究提出并驗證了 FemXpress 這一開源分析工具，能夠在無需父母基因組信息的條件下，基于單細胞 RNA- S eq 數據系統解析雌性哺乳動物 細胞 中 失活 X 染色體來源 異質性，并檢測 逃逸 基因 表達及劑量補償等特征。

中國科學院動物研究所 馮桂海研究員和周琪研究員、國家生物信息中心 馬英 克 博士以及 中國科學院計算機網絡信息中心 王鵬飛 研究員 為論文的共同通訊作者 。 王馨 博士 、 馬英克 博士、 李凡碩士 和崔文韜博士 為共同第一作者 。 中國科學院動物研究所 李偉研究員、 中國科學院計算機網絡信息中心 周園春研究員為課題提供重要支持。

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202504754

軟件鏈接：

https://github.com/aprilW0829/FemXpress

歡迎感興趣的研究團隊下載試用，并給出反饋和建議。

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