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沈晓骅课题组在《细胞干细胞》发表论文

揭示反义长链非编码RNA顺式调控基因转录的新模式


  清华新闻网3月18日电 3月17日,清华大学医学院沈晓骅课题组在《细胞干细胞》(Cell Stem Cell)在线发表了题为《反义长链非编码RNA调控基因表达和多能干细胞分化》(Divergent lncRNAs regulate gene expression and lineage differentiation in pluripotent cells)的研究论文,系统揭示了长链非编码RNA顺式调控基因组上邻近基因的表达,以及它们在干细胞分化和发育中的作用。

  多细胞生物拥有不同大小的基因组,比如人的基因组比秀丽线虫的大30倍,它们却拥有相似数目的蛋白编码基因。蛋白分子一直被认为是生命活动的载体和执行者。近年来随着高通量DNA测序技术的发展,研究表明80%的人类基因组序列虽然能够转录表达并产生RNA ,却不能编码和翻译成蛋白。由此产生了大量的长链非编码RNA(lncRNA),其基因数量(近2万个)和蛋白编码基因相当。目前人们对它们的了解还非常有限,lncRNA被认为是生物学中的暗物质。探索lncRNA的功能和生物学意义,对于人们认识非编码基因组、生物体的多样性和进化具有重要意义。LncRNA的功能分类及预测,是新兴的非编码RNA领域一直追寻和探索的重要问题。

图 1.反义长链非编码RNA与基因转录调控和生物体发育紧密相连。

A) 反义长链非编码RNA(divergent lncRNAs)通过调控邻近蛋白编码基因的转录来参与与该蛋白相关的生物学过程。

B) LncRNA Evx1as顺式调节EVX1表达的模式图。Evx1as RNA结合在自身转录区域,招募转录激活辅助因子Mediator,促进增强子(enhancer,‘E’)和启动子长距离的染色质互作和一个激活的表观遗传状态的形成,从而促进EVX1转录的进行。

  沈晓骅博士于2010年底在清华大学建立独立实验室,主要致力于非编码RNA和表观遗传学研究。她的实验室利用多能干细胞分化体系为模型,通过研究特定类别有代表性的lncRNAs,过去两年来取得了一些突破性进展,揭示了非编码RNA介导的基因表达调控的新模式。她的课题组在2015年首次报导了一个非编码RNA的转录本和基因组DNA,能同时拮抗性地精细调控同一靶基因的转录表达。揭示了RNA可以作为灵活的调控因子动态传递基因组DNA上承载的精细信息,微调基因表达并参与细胞分化和发育过程。《细胞干细胞》特发表专文评述这项研究成果(Cell Stem Cell. 2015.16(5): 449-50)。同时,也是F1000Prime推荐的对本领域产生重大影响的论文。

  2016年发表的这篇论文从一个更高的层面上揭示了,lncRNAs顺式调控邻近蛋白编码基因是一种广泛存在的基因表达调控的新模式。早期研究发现,一些组织特异性表达的lncRNA会与基因组上邻近的蛋白编码基因在时间和空间上共同表达;但是,这种共表达的功能、机制和意义尚不清楚。

  沈晓骅课题组发现lncRNA在基因组上的分布不是随机的,并根据它们在基因组上与邻近蛋白编码基因的位置关系进行了分类。其中,反义长链非编码RNA(divergent lncRNAs)与邻近蛋白基因在基因组上以头对头的方式反向排列和转录(图1A)。它们占人和鼠lncRNA总数的20%,更倾向于分布在编码转录因子和发育调控基因的附近,在进化上它们比远离蛋白编码基因的lncRNAs更为古老。令人惊叹的是,沉默75%的随机挑选的反义长链非编码RNA,均导致了邻近蛋白基因的表达下降。该课题组以lncRNAEvx1as为例深入解析了反义长链非编码RNA作用的分子机制。Evx1as RNA原位结合在自身转录的DNA区域,招募转录激活辅助因子Mediator,促进一个激活状态的染色质表观修饰和高级结构的形成,为EVX1的快速激活提供一个“时机之窗”去整合各种信号,从而正向调控EVX1的基因转录(图1B)。干扰lncRNAEvx1as的表达,严重阻碍了多能干细胞的分化。

  因此,反义长链非编码RNA,至少其中相当多的一部分,能够顺式调节邻近蛋白编码基因的转录,精密控制这些发育多样性基因位点的时空表达,并参与到与之相关的发育和其它生物学过程。重要的是,基于以上顺式调控规律,人们可以根据邻近已知蛋白编码基因的功能,预测出大量未经鉴定的非编码lncRNA的功能。这种功能上的预测,将帮助科研人员更好地设计实验和研究未知lncRNA,对全面认识非编码基因组的功能、基因表达调控和生物体发育具有重要意义。

  沈晓骅博士为本文通讯作者(上图中),第一作者是PTN-BBS联合培养项目的清华大学博士研究生罗赛(上图右)。本文中lncRNA分类和生物信息分析由CLS项目的清华大学博士研究生卢金龙(别名,雨阳;上图左)完成,lncRNA的进化分析由中科院动物研究所张勇实验室完成。另外,本课题的完成离不开沈晓骅实验室全体成员的参与和支持,同时也得到了清华大学医学院、生命学院和北京大学生命学院多位学者的建议和帮助。本研究项目受到清华-北大生命联合中心(CLS)、国家973计划和国家自然科学基金委的资助。

  论文链接:http://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(16)00062-X

供稿:医学院 编辑:襄桦

 

(http://news.tsinghua.edu.cn)
[更新:2016-03-18 15:26:56]
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