Cell |长非编码RNA种属特异性加工决定其功能差异

2020年4月6日，生物化学与细胞生物学研究所陈玲玲研究组在国际学术期刊 《Cell》上发表了关于长非编码RNA的最新研究成果“Distinct processing of lncRNAs contributes to non-conserved functions in stem cells”，首次发现长非编码RNA在不同物种来源干细胞中的特异性加工是其发生适应性功能变化的重要机制，为深入理解长非编码RNA的功能及进化提供了新思路。 人类基因组中超过98%的区域都是非编码区域。长非编码RNA 是一类广泛转录但不翻译产生功能性蛋白质的核糖核酸大分子。越来越多的研究表明它们在基因表达调控过程中发挥着重要功能。 与信使RNA在物种进化过程中的序列和功能都高度保守不同，长非编码RNA在不同物种之间缺乏严格的序列保守性，但在序列、RNA结构、基因组的位置和作用机制等多个层次上体现保守性。其中，不同物种之间序列和基因组位置保守的长非编码RNA的加工是否保守，以及其相应的生物学功能是否保守是一个重要问题。 研究开始通过分离人、鼠胚胎干细胞细胞核和细胞质来源的RNA结合高通量测序分析，首次发现长非编码RNA的加工及亚细胞定位在hESCs(人胚胎干细胞)和mESCs(小鼠胚胎干细胞)中存在显著差异。序列及基因组位置保守的长非编码RNA在人胚胎干细胞中更多地定位在细胞质内，而在鼠胚胎干细胞中则更多地滞留在细胞核内。 研究还发现，多个定位在人胚胎干细胞细胞质中的长非编码RNA，如FAST，RAB30-AS1，UBE2D3-AS1等参与维持人干细胞自我更新，而相应的基因组位置保守的长非编码RNA则更趋向于定位在鼠胚胎干细胞核内，对干细胞维持没有明显作用。这些长非编码RNA在不同物种来源的干细胞内的亚细胞定位的不同，提示它们在人、鼠的胚胎干细胞中可能具有不同的加工方式和生物学功能。

文中对其中一个新型的长非编码RNA——hFAST维持人胚胎干细胞自我更新的分子机制进行了详细解析。FAST是基因组位置保守的长非编码RNA，在胚胎干细胞中特异高表达。在人、猴来源的胚胎干细胞FAST定位在细胞质内，维持胚胎干细胞的自我更新。机制研究表明，在人胚胎干细胞中，细胞质定位的hFAST结合E3泛素连接酶β-TrCP蛋白的WD40结构域，阻止其与磷酸化β-catenin相互作用，使得β-TrCP不能降解重要信号通路WNT中关键蛋白β-catenin，从而维持WNT信号通路持续激活和干细胞的自我更新。在鼠胚胎干细胞中，mFast定位在细胞核内，不能结合β-TrCP，也不影响WNT信号通路和干细胞多能性。

为了进一步探究长非编码RNA在不同物种间加工定位差异的分子机制，研究人员结合生物信息学分析预测和实验验证筛选到了调控它们不同定位的关键因子PPIE。在鼠胚胎干细胞中，PPIE蛋白高表达并抑制长非编码RNA (包括mFast)的剪接加工而使其滞留在细胞核内；在人胚胎干细胞中，PPIE蛋白低表达，长非编码RNA被剪接加工，运输到细胞质内发挥功能；而在猴胚胎干细胞中PPIE蛋白的表达、FAST以及其它长非编码RNA在细胞内的定位和功能则更趋向于人胚胎干细胞。

该项研究首次发现非保守的RNA加工和定位在长非编码RNA发挥功能过程中具有重要作用，为了验证hFAST对hESC多功能性维持的影响，文中使用了碧云天的结晶紫染色液对正常和hFAST敲除的H9细胞菌落进行染色，发现hFAST敲除会损坏H9细胞的菌落形成能力。

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论文链接：Distinct processing of lncRNAs contributes to non-conserved functions in stem cells https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.03.006