沈晓骅课题组揭示长链非编码RNA对邻近超级增强子的调控作用

来源：JMCB科学前沿

增强子（Enhancer）作为一段DNA调控区域，已被证明可以控制启动子的活性从而促进细胞特异性基因的表达。近年来，在增强子研究的基础上，各种组织及细胞类型中的超级增强子被陆续鉴定出来并被证实其功能的重要性。截至目前，在小鼠的胚胎干细胞中已知有8562个经典增强子（Typical enhancer，TE）以及231个超级增强子（super-enhancer，SE）。

SE在细胞命运决定以及疾病发生等过程中起到非常重要的作用。SE上富集大量转录因子（transcription factors）、辅因子（co-factors）以及表观调控因子（epigenetic regulators），这些因子在SE功能维持及活性调控方面发挥着举足轻重的作用。长链非编码RNA（lncRNA）已被证明在生命活动的各个阶段都扮演着重要的角色。然而，lncRNA和SE之间是否存在位置上或者功能上的相关性还不是很清楚。那么，lncRNA是否参与SE的活性调控呢？其具体的分子机制又是什么呢？lncRNA和SE之间的功能相关性对胚胎干细胞（Embryonic stem cells，ESCs）的多能性维持及分化过程是否会产生影响呢？

近日， 沈晓骅团队在Journal of Molecular Cell Biology（JMCB）发表了题为“LncRNA Platr22 promotes super-enhancer activity and stem cell pluripotency”的研究成果，系统性地揭示了lncRNA对邻近SE的活性调控及其具体的分子机制。

研究思路与结果

首先，为了探索lncRNA和SE之间潜在的关系及生物学意义，作者对lncRNA与SE在基因组上的分布进行了研究。作者以随机挑选的基因组区域为背景，鉴定了所有基因与SE和TE的位置关系，发现SE趋近于靠近lncRNA是普遍存在的；进一步研究发现lncRNA可以调控邻近SE的活性。

随后，作者以lncRNA Platr22及其邻近的SE（Platr22SE）为例，系统并深入地研究了它们在胚胎干细胞的多能性及其命运调控中的重要性。作者利用CRISPR/Cas9系统研究了Platr22对邻近SE的活性调控作用，证明了Platr22 RNA可以结合在邻近SE区域，同时对其活性进行顺式调节（in cis），同时作者也证明Platr22及Platr22SE对ES细胞多能性的调节作用。有趣的是，与短期过表达Platr22不同，长期过表达Platr22会降低seRNA和ZFP281的表达。这说明在长期过表达Platr22的过程中，可能会激活代偿调节。

最后，作者通过一系列的分子及生化手段证实了Platr22 RNA产物可以结合在邻近SE区域。通过进一步研究，作者找到了Platr22所结合的蛋白，发现Platr22通过介导这些蛋白（DDX5、hnRNP-L以及ZFP281等）到邻近SE区域形成一个转录活性中心（见下图）。Platr22通过调节这些蛋白在该区域内的结合从而调控SE的活性，进而参与到ES细胞多能性维持及细胞命运决定等过程中。同时，通过在动态变化过程中研究lncRNA Platr22对Platr22SE活性的调节作用，证明其在细胞的多能性维持和分化过程中起到重要的作用。

本研究分子机制模式图

小结：作者以小鼠的胚胎干细胞为模型，利用生物信息学、遗传、分子生物学、细胞生物学及生物化学等手段，深入探讨了lncRNA和SE的位置及功能的相关性，首次揭示lncRNA Platr22对邻近SE的具体调控机制，同时探究并证明了Platr22及其邻近的SE在胚胎干细胞多能性维持及分化过程中具有重要的作用。本项研究不仅为细胞命运调控网络提供了实验支持，拓展了lncRNA和SE相互调控的关系，同时还为以SE为基础的癌症研究和药物开发提供了新的思路。

据悉，沈晓骅实验室博士生颜丕熙和卢金龙为本篇文章的共同第一作者，尹亚飞博士和沈晓骅教授为本文的共同通讯作者。清华大学自动化系张奇伟教授为本项目合作者，并对课题提出了宝贵的指导意见；美国西奈山伊坎医学院细胞/发育与再生医学系的王建龙教授、加州大学圣地亚哥分校的付向东教授、中国科学院动物研究所干细胞与生殖生物学国家重点实验室的周兵研究员对课题提出了宝贵的指导意见。

作者简介

沈晓骅实验室主要致力于探索基因组中非编码核酸序列调控染色质结构和基因表达的新机制。包括从系统和分子水平上研究非编码RNA、基因组重复序列和RNA结合蛋白影响转录和染色质高级结构的新模式，从独特的视角来揭示干细胞多能性和细胞命运决定的普适性规律。近年来主要成果包括：

认识非编码RNA调控邻近基因转录是一种普遍模式，为lncRNA功能预测提供概念性突破（Cell Stem Cell, 2015 和2016; Development, 2019; JMCB, 2019）；

非编码RNA和RNA结合蛋白广泛结合于人和鼠的基因组，它们在转录过程中被招募到染色质上，并反馈调控转录和染色质结构（Mol Cell, 2019; Cell Reports, 2020; Nature, 2020）；

基因组重复序列协同调控基因表达和染色质高级结构的新颖功能 (Cell Reports, 2020)。