沈晓骅团队揭示rDNA表观状态建立机制及其对多能性的调控

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胚胎早期发育和干细胞多能性的维持需要细胞保持高水平的rRNA转录和核糖体生成活性，抑制细胞正常的rRNA转录和核糖体生成状态都会导致胚胎干细胞多能性的丧失【1-4】。因此，核仁中rDNA染色质的稳定对于胚胎干细胞多能性的建立和维持至关重要。胚胎干细胞rDNA保持低H3K27me3表观修饰，伴随分化过程中异染色质形成其水平升高。然而，仍然不清楚细胞是如何调控rDNA区域PRC2的活性及H3K27me3的表观修饰，以及这种调控和干细胞多能性的关系。RNA结合蛋白对PRC2活性的拮抗作用亦未见报道。

2020年1月7日，清华大学沈晓骅团队在Cell Reports杂志上发表文章DEAD-Box Helicase 18 Counteracts PRC2 to Safeguard ribosomal DNA in Pluripotency Regulation，发现了一个参与胚胎干细胞多能性维持和rDNA表观调控的RNA结合蛋白DDX18。

DDX18定位于核仁的外层区域，结合pre-rRNA及rDNA，并促进细胞rRNA的转录，核糖体合成及蛋白翻译，在早期胚胎发育和胚胎干细胞多能性维持中起到重要的作用。比较DDX18敲低，rRNA转录抑制和翻译抑制后转录组变化发现，DDX18通过促进rRNA转录维持干细胞多能性。胚胎干细胞维持高水平的DDX18表达和rRNA转录，而在分化过程中DDX18表达和rRNA转录显著降低，这不仅是分化的结果，也是干细胞多能性退出的原因。

那么，机制上DDX18是如何调控rRNA转录的呢？通过分析DDX18的相互作用蛋白质组发现，DDX18可与PRC2相互作用。体内免疫共沉淀和体外蛋白pull-down实验验证了这种相互作用，并发现DDX18可单独，或与RNA一起破坏EZH2与PRC2其他组分的结合。DDX18敲低或蛋白快速降解均会导致核仁EZH2增多，引发rDNA位点PRC2的活性并起始H3K27甲基化，促使核仁异染色质形成。抑制PRC2活性可以部分拯救DDX18缺失导致的分子和细胞形态上的缺陷。

DDX18位于核仁的外层并破坏PRC2复合体形成

总之，此项研究提供了RNA结合蛋白DDX18结合pre-rRNA并定位于核仁外层，破坏PRC2复合物形成并拮抗其在rDNA区域H3K27甲基化的活性，促进rRNA转录并维持干细胞多能性这一完整的证据链。揭示了RNA结合蛋白拮抗PRC2并维持rDNA低H3K27甲基化的新机制。RNA结合蛋白不仅调控核糖体合成活性，而且表观控制基因表达和染色质结构，从而维持干细胞多能性。此项研究亦为PRC2/H3K27me3表观修饰的建立和维持机制提供了新的见解。

据悉，此项工作的第一作者为沈晓骅实验室的博士后张惠，博士生吴中洋和卢雨阳，通讯作者为沈晓骅博士和张惠博士。这一课题的胚胎实验得到了清华大学颉伟课题组和黄波博士的帮助。美国哥伦比亚大学王建龙课题组提供了有益的指导意见。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.celrep.2019.12.021

制版人：珂

参考文献

1. Lin, C. J., Koh, F. M., Wong, P., Conti, M. & Ramalho-Santos, M. Hira-mediated H3.3 incorporation is required for DNA replication and ribosomal RNA transcription in the mouse zygote. Developmental cell 30, 268-279, doi:10.1016/j.devcel.2014.06.022 (2014).

2. Corsini, N. S. et al. Coordinated Control of mRNA and rRNA Processing Controls Embryonic Stem Cell Pluripotency and Differentiation. Cell stem cell 22, 543-558 e512, doi:10.1016/j.stem.2018.03.002 (2018).

3. Percharde, M. et al. A LINE1-Nucleolin Partnership Regulates Early Development and ESC Identity. Cell 174, 391-405 e319, doi:10.1016/j.cell.2018.05.043 (2018).

4. Bi, X. et al. RNA Targets Ribogenesis Factor WDR43 to Chromatin for Transcription and Pluripotency Control. Molecular cell 75, 102-116 doi:10.1016/j.molcel.2019.05.007 (2019).