沈曉驊課題組在《細(xì)胞干細(xì)胞》發(fā)表論文
揭示反義長鏈非編碼RNA順式調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的新模式
清華新聞網(wǎng)3月18日電 3月17日，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院沈曉驊課題組在《細(xì)胞干細(xì)胞》（Cell Stem Cell）在線發(fā)表了題為《反義長鏈非編碼RNA調(diào)控基因表達(dá)和多能干細(xì)胞分化》（Divergent lncRNAs regulate gene expression and lineage differentiation in pluripotent cells）的研究論文，系統(tǒng)揭示了長鏈非編碼RNA順式調(diào)控基因組上鄰近基因的表達(dá)，以及它們?cè)诟杉?xì)胞分化和發(fā)育中的作用。
多細(xì)胞生物擁有不同大小的基因組，比如人的基因組比秀麗線蟲的大30倍，它們卻擁有相似數(shù)目的蛋白編碼基因。蛋白分子一直被認(rèn)為是生命活動(dòng)的載體和執(zhí)行者。近年來隨著高通量DNA測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，研究表明80%的人類基因組序列雖然能夠轉(zhuǎn)錄表達(dá)并產(chǎn)生RNA ，卻不能編碼和翻譯成蛋白。由此產(chǎn)生了大量的長鏈非編碼RNA（lncRNA），其基因數(shù)量（近2萬個(gè)）和蛋白編碼基因相當(dāng)。目前人們對(duì)它們的了解還非常有限，lncRNA被認(rèn)為是生物學(xué)中的暗物質(zhì)。探索lncRNA的功能和生物學(xué)意義，對(duì)于人們認(rèn)識(shí)非編碼基因組、生物體的多樣性和進(jìn)化具有重要意義。LncRNA的功能分類及預(yù)測(cè)，是新興的非編碼RNA領(lǐng)域一直追尋和探索的重要問題。
圖 1.反義長鏈非編碼RNA與基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控和生物體發(fā)育緊密相連。
A) 反義長鏈非編碼RNA（divergent lncRNAs）通過調(diào)控鄰近蛋白編碼基因的轉(zhuǎn)錄來參與與該蛋白相關(guān)的生物學(xué)過程。
B) LncRNA Evx1as順式調(diào)節(jié)EVX1表達(dá)的模式圖。Evx1as RNA結(jié)合在自身轉(zhuǎn)錄區(qū)域，招募轉(zhuǎn)錄激活輔助因子Mediator，促進(jìn)增強(qiáng)子（enhancer，‘E’)和啟動(dòng)子長距離的染色質(zhì)互作和一個(gè)激活的表觀遺傳狀態(tài)的形成，從而促進(jìn)EVX1轉(zhuǎn)錄的進(jìn)行。
沈曉驊博士于2010年底在清華大學(xué)建立獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室，主要致力于非編碼RNA和表觀遺傳學(xué)研究。她的實(shí)驗(yàn)室利用多能干細(xì)胞分化體系為模型，通過研究特定類別有代表性的lncRNAs，過去兩年來取得了一些突破性進(jìn)展，揭示了非編碼RNA介導(dǎo)的基因表達(dá)調(diào)控的新模式。她的課題組在2015年首次報(bào)導(dǎo)了一個(gè)非編碼RNA的轉(zhuǎn)錄本和基因組DNA，能同時(shí)拮抗性地精細(xì)調(diào)控同一靶基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)。揭示了RNA可以作為靈活的調(diào)控因子動(dòng)態(tài)傳遞基因組DNA上承載的精細(xì)信息，微調(diào)基因表達(dá)并參與細(xì)胞分化和發(fā)育過程。《細(xì)胞干細(xì)胞》特發(fā)表專文評(píng)述這項(xiàng)研究成果（Cell Stem Cell. 2015.16(5): 449-50）。同時(shí)，也是F1000Prime推薦的對(duì)本領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響的論文。
2016年發(fā)表的這篇論文從一個(gè)更高的層面上揭示了，lncRNAs順式調(diào)控鄰近蛋白編碼基因是一種廣泛存在的基因表達(dá)調(diào)控的新模式。早期研究發(fā)現(xiàn)，一些組織特異性表達(dá)的lncRNA會(huì)與基因組上鄰近的蛋白編碼基因在時(shí)間和空間上共同表達(dá)；但是，這種共表達(dá)的功能、機(jī)制和意義尚不清楚。
沈曉驊課題組發(fā)現(xiàn)lncRNA在基因組上的分布不是隨機(jī)的，并根據(jù)它們?cè)诨蚪M上與鄰近蛋白編碼基因的位置關(guān)系進(jìn)行了分類。其中，反義長鏈非編碼RNA（divergent lncRNAs）與鄰近蛋白基因在基因組上以頭對(duì)頭的方式反向排列和轉(zhuǎn)錄（圖1A）。它們占人和鼠lncRNA總數(shù)的20%，更傾向于分布在編碼轉(zhuǎn)錄因子和發(fā)育調(diào)控基因的附近，在進(jìn)化上它們比遠(yuǎn)離蛋白編碼基因的lncRNAs更為古老。令人驚嘆的是，沉默75%的隨機(jī)挑選的反義長鏈非編碼RNA，均導(dǎo)致了鄰近蛋白基因的表達(dá)下降。該課題組以lncRNAEvx1as為例深入解析了反義長鏈非編碼RNA作用的分子機(jī)制。Evx1as RNA原位結(jié)合在自身轉(zhuǎn)錄的DNA區(qū)域，招募轉(zhuǎn)錄激活輔助因子Mediator，促進(jìn)一個(gè)激活狀態(tài)的染色質(zhì)表觀修飾和高級(jí)結(jié)構(gòu)的形成，為EVX1的快速激活提供一個(gè)“時(shí)機(jī)之窗”去整合各種信號(hào)，從而正向調(diào)控EVX1的基因轉(zhuǎn)錄（圖1B）。干擾lncRNAEvx1as的表達(dá)，嚴(yán)重阻礙了多能干細(xì)胞的分化。
因此，反義長鏈非編碼RNA，至少其中相當(dāng)多的一部分，能夠順式調(diào)節(jié)鄰近蛋白編碼基因的轉(zhuǎn)錄，精密控制這些發(fā)育多樣性基因位點(diǎn)的時(shí)空表達(dá)，并參與到與之相關(guān)的發(fā)育和其它生物學(xué)過程。重要的是，基于以上順式調(diào)控規(guī)律，人們可以根據(jù)鄰近已知蛋白編碼基因的功能，預(yù)測(cè)出大量未經(jīng)鑒定的非編碼lncRNA的功能。這種功能上的預(yù)測(cè)，將幫助科研人員更好地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和研究未知lncRNA，對(duì)全面認(rèn)識(shí)非編碼基因組的功能、基因表達(dá)調(diào)控和生物體發(fā)育具有重要意義。
沈曉驊博士為本文通訊作者（上圖中），第一作者是PTN-BBS聯(lián)合培養(yǎng)項(xiàng)目的清華大學(xué)博士研究生羅賽（上圖右）。本文中l(wèi)ncRNA分類和生物信息分析由CLS項(xiàng)目的清華大學(xué)博士研究生盧金龍（別名，雨陽；上圖左）完成，lncRNA的進(jìn)化分析由中科院動(dòng)物研究所張勇實(shí)驗(yàn)室完成。另外，本課題的完成離不開沈曉驊實(shí)驗(yàn)室全體成員的參與和支持，同時(shí)也得到了清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院、生命學(xué)院和北京大學(xué)生命學(xué)院多位學(xué)者的建議和幫助。本研究項(xiàng)目受到清華-北大生命聯(lián)合中心（CLS）、國家973計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金委的資助。
論文鏈接：http://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(16)00062-X
供稿：醫(yī)學(xué)院 編輯：襄樺
