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科研进展

 

沈晓骅团队发现U1 snRNP调控非编码RNA结合染色质的新机制

 

  人和鼠的基因组拥有大量的非编码核酸序列。非编码RNA在细胞核染色质上的定位与其调控功能紧密相关。相比细胞质定位的蛋白编码信使mRNA,众多的非编码RNA,比如长链非编码lncRNA、和启动子和增强子调控元件关联的不稳定转录本(uaRNA、eRNA),更倾向于结合在染色质上参与调控染色质结构、转录和RNA加工等过程【1-3】。尽管零星报导少数RNA核滞留的现象,但为何大部分lncRNA会滞留于染色质上行使调控功能,仍是个不解之谜。

  上世纪80年代初,Joan Steitz通过系统性红斑狼疮患者血液抗体分离提取 U1、U2、U4、U5和U6小核糖核蛋白粒子(又称为 snRNP),揭示了它们参与RNA剪接的经典功能【4,5】。近年来施一公团队系统报导了真核生物剪切体的原子结构和生化功能。然而,一直让人困惑的是,细胞内U1 snRNP的数量为什么比其它剪接相关snRNP高 2-5倍【6】。虽然Gideon Dreyfuss和Phil Sharp等团队曾揭示U1 snRNP调控转录终止和方向的非经典功能【7,8】,U1 snRNP在细胞中的丰富存在仍然是一个让人困惑的问题。 

  2020年3月11日,生命中心PI沈晓骅Nature杂志上在线发表了题为 “U1 snRNP regulates chromatin retention of noncoding RNAs”的研究论文,首次揭示U1 snRNP广泛调控非编码RNA在染色质上的结合和移动的新机制。


  作者首先建立和运用一套新颖的mutREL-seq方法来高精度筛选调控RNA定位的关键序列,意外发现了U1 snRNP识别位点参与调控候选RNA的染色质滞留。相比于蛋白编码基因,lncRNA转录本含有更多的U1识别位点(同时也是潜在的5’剪接供体位点),而其基因组区域具有更少的3’剪接受体位点。并且U1 snRNP更高水平地结合在lncRNA上。

  随后,作者分别使用antisense morpholino oligos(AMO)和AID(auxin-induced degron)诱导蛋白降解系统,来抑制U1 snRNA和核心蛋白组分SNRNP70的功能。作者发现小鼠胚胎干细胞中近一半的lncRNA受U1 snRNP调控。另外,与转录调控元件关联的不稳定非编码转录本如uaRNA、eRNA等,它们的染色质结合在U1 snRNP抑制后也显著下降。作者进一步证明了U1 snRNP直接调控成熟lncRNA与染色质的结合,而不是通过影响RNA合成、加工或降解过程的动态变化所产生的间接影响。

  机制上,作者鉴定了U1 snRNP在染色质上的互作蛋白,发现U1 snRNP结合特定磷酸化状态的RNA转录聚合酶II(Pol II)。转录抑制明显降低了U1 snRNP及其所调控的非编码RNA与染色质的结合,表明U1 snRNP通过与磷酸化的Pol II互作来介导其互作RNA与染色质的结合。

  最后,作者通过以lncRNA Malat1为例,进一步验证了U1 snRNP对其染色质结合的调控作用。去除SNRNP70后,绝大部分Malat1 “核斑”定位信号消失,并弥散在核质及细胞质中。同时,Malat1在活跃表达基因染色质区域的结合信号显著下降,表明U1 snRNP不仅可以将Malat1滞留在染色质上,同时也参与调控后者在染色质上的移动及其与靶基因的结合。

  综上,作者提出如下模型:5’和3’剪接位点在lncRNA上的不对称分布,致使U1 snRNP持续结合在lncRNA转录本上,而不能通过RNA剪接过程释放,从而介导了lncRNA的染色质滞留。磷酸化Pol II进一步介导了lncRNA-U1 snRNP复合体在染色质上的移动(mobilization)。对于大多数低丰度、不稳定的lncRNA,它们只能靶向结合邻近的染色质区域(顺式cis作用);而对于少数稳定和高丰度的lncRNA,如Malat1,U1 snRNP促进了其迁移和结合更多的靶基因区域(反式trans作用)。

  该工作不仅揭示了U1 snRNP介导非编码RNA在染色质上功能和调控的新模式,而且拓宽了U1 snRNP这一被广泛研究的小核糖核蛋白粒子的新颖功能。

  据悉,清华大学沈晓骅实验室的尹亚飞博士为该论文的第一作者,博士生卢雨阳,张雪纯,邵雯和洪彦涛等参与了此工作,论文的其他作者还包括清华大学的张强锋教授及其博士生李盼,中国科技大学的单革教授,以及美国Rutgers New Jersey Medical School的田斌教授。尹亚飞博士和沈晓骅教授为该论文的共同通讯作者。

  沈晓骅实验室主要致力于探索基因组中非编码核酸序列如何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)(Mol Cell丨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);以及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)(Cell Reports | 沈晓骅团队揭示重复序列对宿主基因组结构和功能的调控作用)。沈晓骅现为生命中心PI、清华医学院长聘副教授,是国家杰出青年基金获得者和《Cell Reports》编委会委员。

  沈晓骅实验室招募志同道合的科研工作者,包括博士生和博士后。请联系:xshen(at)tsinghua.edu.cn.


原文链接:

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2105-3

 

参考文献:

1. Li, W., Notani, D. & Rosenfeld, M. G. Enhancers as non-coding RNA transcription units: recent insights and future perspectives. Nat Rev Genet 17, 207-223, doi:10.1038/nrg.2016.4 (2016).

2. Tilgner, H. et al. Deep sequencing of subcellular RNA fractions shows splicing to be predominantly co-transcriptional in the human genome but inefficient for lncRNAs. Genome Res 22, 1616-1625, doi:10.1101/gr.134445.111 (2012).

3. Yan, P., Luo, S., Lu, J. Y. & Shen, X. Cis- and trans-acting lncRNAs in pluripotency and reprogramming. Curr Opin Genet Dev 46, 170-178, doi:10.1016/j.gde.2017.07.009 (2017).

4. Lerner, M. R. & Steitz, J. A. Antibodies to small nuclear RNAs complexed with proteins are produced by patients with systemic lupus erythematosus. Proc Natl Acad Sci U S A 76, 5495-5499, doi:10.1073/pnas.76.11.5495 (1979).

5. Lerner, M. R., Boyle, J. A., Mount, S. M., Wolin, S. L. & Steitz, J. A. Are snRNPs involved in splicing? Nature 283, 220-224 (1980).

6. Baserga, S. J. & Steitz, J. A. in The RNA World    Ch. 14, 359-381 (1993).

7. Kaida, D. et al. U1 snRNP protects pre-mRNAs from premature cleavage and polyadenylation. Nature 468, 664-668, doi:10.1038/nature09479 (2010).

8. Almada, A. E., Wu, X., Kriz, A. J., Burge, C. B. & Sharp, P. A. Promoter directionality is controlled by U1 snRNP and polyadenylation signals. Nature 499, 360-363, doi:10.1038/nature12349 (2013).


 




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