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科研进展

 

清华沈晓骅团队发现参与胚胎干细胞多能性维持和转录调控的新分子

 

  转录调控是干细胞功能和早期胚胎发育的核心过程。胚胎干细胞多能性的维持需要细胞保持高水平的转录和核糖体生成活性,破坏细胞正常的转录和核糖体生成状态都会导致胚胎干细胞多能性丧失。真核细胞的转录调控受到一系列蛋白因子和非编码元件的精细调控,目前的研究大量集中于转录因子和表观遗传因子在这一过程的功能,RNA结合蛋白在转录中的功能研究相对较少。

  越来越多的证据表明,RNA分子(包括编码和非编码RNA)能够结合在基因组的启动子或增强子序列上参与转录与染色质调控。比如,在哺乳动物细胞启动子会产生双向转录的正义/反义的不稳定转录本TSS-associated RNAs(简称TSSa-RNAs)或PROMPTs(promoterupstream transcripts)(2008年Science上背靠背发表三篇论文【1-3】)。尽管这些转录本在染色质上广泛存在,但它们在染色质上的功能并不清楚。

  2019年5月22日,清华大学沈晓骅团队在Molecular Cell杂志上发表文章RNA targets ribogenesis factor WDR43 to chromatin fortranscription and pluripotency control,发现了一个参与胚胎干细胞多能性维持和转录调控的新分子——核糖体生成因子WDR43。

  与WDR43经典的在核糖体小亚基加工复合物(small subunit processome,SSUP)中的功能不同,WDR43能够广泛地结合在细胞的启动子和增强子区域并与TSSa-RNAs结合,同时倾向于结合到mRNA的5’端区域。转录产生的染色质结合的RNA促进WDR43在染色质开放区域的定位,而WDR43的招募提供了对转录的正反馈调节,当通过RNAi或AID(auxin-induced degradation)系统诱导WDR43缺失时细胞内RNA Pol II的暂停-释放(pause-release)过程受到了影响,更多的RNA Pol II停留在染色质区域,无法进入活跃的转录状态,胚胎干细胞或体外培养的早期胚胎也随着WDR43的缺失和转录的异常而无法维持多能性状态或发育到囊胚期。


WDR43调控P-TEFb复合物和Pol II释放的模型

  在机制上,作者们发现WDR43一方面能够在体外和体内促进P-TEFb复合物从7SK snRNA上释放,从而被激活并能够磷酸化RNA Pol II(上图);同时WDR43的LCS(low complexity sequence)序列能够在体外与已知的RNA PolII释放因子DDX21的LCS序列形成相分离,促进RNA Pol II的CTD结构域局部浓度的提高(下图),可能促进转录的效率;此外,通过体外转录系统,作者们发现了WDR43也具有直接激活转录的生化特性。


WDR43的LCS序列在体外与RNA PolII释放因子DDX21的LCS序列形成相分离,促进RNA Pol II的CTD结构域局部浓度的提高

  这一工作揭示了RNA Pol II的转录调控的新机制,提示了RNA结合蛋白与染色质上转录本在转录调控中的新颖功能,首次发现了启动子区域结合的转录本的重要功能。


  值得一提的是,在这一工作中,作者开发了一种研究蛋白和RNA相互作用的新方法。利用FLAG和biotin双标签纯化系统,在不需要像传统的CLIP-seq等方法通过变性的SDS-PAGE胶分离非特异性互作蛋白-RNA的条件下,即可以获得特异性强且信号丰度更高的目的蛋白互作RNA信号,在减少复杂的操作步骤的同时提高了信噪比和可靠性。

据悉,此项工作的第一作者为沈晓骅教授实验室的毕先驹,实验室的研究生徐妍晖、战戈、王开丽、邵雯、吴中洋、李同、博士后李新敏等也参与了这一工作。这一课题的胚胎实验得到了清华大学那洁课题组李文治博士的帮助。清华大学李丕龙课题组在相分离部分,中科院生物物理所李国红课题组在体外转录实验中提供了有益的指导意见。

 

原文链接:

https://doi.org/10.1016/j.molcel.2019.05.007


参考文献:

1、Core, L. J., Waterfall, J. J., & Lis, J. T. (2008). Nascent RNA sequencing reveals widespread pausing and divergent initiation at human promoters. Science, 322(5909), 1845-1848.


2、Preker, P., Nielsen, J., Kammler, S., Lykke-Andersen, S., Christensen, M. S., Mapendano, C. K., ... & Jensen, T. H. (2008). RNA exosome depletion reveals transcription upstream of active human promoters. Science, 322(5909), 1851-1854.


3、Seila, A. C., Calabrese, J. M., Levine, S. S., Yeo, G. W., Rahl, P. B., Flynn, R. A., ... & Sharp, P. A. (2008). Divergent transcription from active promoters. Science, 322(5909), 1849-1851.

 

 




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