Dev Cell | 张晓东团队揭示内含子保留调控干细胞休眠的分子机制学术资讯

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骨骼肌干细胞（Skeletal Muscle stem cells），简称肌肉干细胞（muscle stem cells）, 又称卫星细胞（satellite cells），其主要功能是负责对骨骼肌进行损伤修复。肌肉干细胞对肌肉发育和组织再生至关重要。在健康的骨骼肌中，肌肉干细胞处在‘休眠期‘（quiescence）。而当骨骼肌受到损伤时，肌肉干细胞会被激活，然后增殖，分化成肌细胞进而修复受损的组织。

休眠期的调控（quiescence maintenance）对干细胞的功能非常重要。拿肌肉干细胞举例，一方面，肌肉干细胞需要有快速离开休眠期（quiescence exit）的能力。当肌肉组织受到损伤时，肌肉干细胞需要迅速感应到所处环境（niche）的变化, 离开休眠期，激活，进入细胞周期，去产生更多的肌肉细胞从而修复组织。另一方面，如果肌肉干细胞休眠期失调，肌肉干细胞就会在骨骼肌健康的条件下提前离开休眠期，增殖分化，进而导致干细胞池的耗竭（stem cell pool depletion）。干细胞池耗竭的后果就是，一旦组织受到损伤，组织就会因缺少足够的干细胞而难以修复，最终导致组织功能的受损甚至丧失。因此，研究者一直都致力于研究干细胞是如何聪明地，精准地，去把握这种休眠期的平衡。另外，通过了解干细胞休眠期的调控机制，研究人员可以更好地利用干细胞，进行临床组织再生应用。

2020年6月4日，香港科技大学生命科学部张晓东教授实验组（Dr. Tom Cheung Group, Hong Kong University of Science and Technology）在Developmental Cell 在线发表了题为"Dek Modulates Global Intron Retention during Muscle Stem Cell Quiescence Exit’"的研究论文，发现Dek可通过调控干细胞的内含子保留影响干细胞的休眠和激活。

张教授团队利用小鼠肌肉干细胞作为研究对象，去研究干细胞的休眠期的调节机制。因为休眠肌肉干细胞一旦离开自身环境就会迅速激活，所以如何保留‘真正’的休眠肌肉干细胞的特性是困扰研究者的难题。严格来说，从体内提取出来的干细胞与真正的休眠的干细胞并不是完全一样的。通常用流式细胞荧光分选技术（FACS）提取的休眠肌肉干细胞，尽管还在细胞周期外，但已经开始表达了一些激活基因蛋白，比如作为肌肉调控因子之一的Myod1。
为了去了解‘真正’的休眠肌肉干细胞的特性，张教授团队改进了现有FACS提取技术。在分离肌肉之前，通过先给小鼠灌注固定剂（mice perfusion using fixative），来’固定’肌肉干细胞，从而保留其在体内（in vivo）的特质。通过转录组测序（RNA-seq），他们找到了许多休眠干细胞的休眠调控基因，比如与Notch, Wnt信号通路相关的基因。不仅如此，他们还意外地发现在休眠肌肉干细胞的转录组里（transcriptome of quiescent muscle cells）普遍存在’内含子保留‘（intron retention），而完全激活的肌肉干细胞的转录组则没有。为了更系统准确地评估每个基因的‘内含子保留’程度，他们设计一个计算‘内含子保留系数’（intron retention score）的算法，并在休眠肌肉干细胞中找到了近千个存在“内含子保留”的基因。通过基因功能富集分析，他们发现这些基因与RNA 剪接（RNA splicing）、蛋白质合成与降解（protein synthesis and proteolysis）存在很高的相关性。RNA 剪接以及蛋白质合成降解与细胞活动息息相关，这些都是处在休眠期的肌肉干细胞激活时所需迅速调整表达的基因。他们因此推断休眠的肌肉干细胞正是利用内含子保留该机制来快速表达基因，从而快速激活。
他们发现对于肌肉干细胞功能调控至关重要的转录因子Myod1也存在‘内含子保留’现象。以此为出发点，进而发现了Myod1，以及其他几个与RNA剪切体（spliceosome）有关的基因（Ncbp2, Snrpa1, Prpf38b）的内含子剪切是受Dek 调控的。而当用小分子干扰核糖核酸（siRNA）去抑制这些基因的表达，他们发现休眠肌肉干细胞就不能迅速离开休眠期，进入细胞周期。因此证明短时间内快速提高这些基因的表达对干细胞离开休眠至关重要。
同时，他们利用Dek敲入小鼠（Dek knock in mice）在休眠肌肉干细胞中表达Dek, 查看其对肌肉干细胞的影响。他们发现，如果在原本不表达Dek的休眠肌肉干细胞里去表达Dek，会导致肌肉干细胞的转录组的‘内含子保留’大幅下降。同时也会导致肌肉干细胞休眠期失调（dysregulated quiescence），并伴随早熟分化（pre-mature differentiation）。这些小鼠的肌肉再生功能也大幅下降（impaired muscle regeneration）。因而说明，Dek对肌肉干细胞的‘内含子保留’的维持，对肌肉干细胞休眠的调控，以及对肌肉修复来说是一个极其重要的调控因子。
最后，他们还通过分析公开的RNA-seq数据，发现‘内含子保留’现象不仅仅存在于休眠肌肉干细胞中，在其他的休眠干细胞，比如毛囊干细胞（hair follicle stem cells），精原干细胞（spermatogenic stem cells），造血干细胞（hematopoietic stem cells）也同样存在。因此，该研究成果对于其他休眠干细胞的研究也有启示的作用，也同时表明了‘内含子保留’很有可能是一个很普遍、很重要、很有效的基因表达调节机制。这种转录后调节机制（post-transcriptional regulation）很有可能保证了休眠干细胞，能够快速地离开休眠期，去应对组织损伤。并且，该研究也与之前许多关于休眠干细胞转录后调节机制的研究一同提醒着研究者们要去重视休眠干细胞的’休眠’。休眠期可能不是一个静止的状态（a dormant state），而是一个蓄势待发的状态（a poised state）。

张晓东教授为该论文的通讯作者。岳麓（博士生）和负责生物信息分析的Raymond Wan （博后）为该论文的共同第一作者。

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