組蛋白修飾可調控mRNA剪切來決定胚胎幹細胞命運 | Genome Biology

組蛋白修飾可調控mRNA剪切來決定胚胎幹細胞命運 | Genome Biology

論文標題：Alternative splicing links histone modifications to stem cell fate decision

期刊：Genome Biology

作者：Yungang Xu†, Weiling Zhao†, Scott D. Olson, Karthik S. Prabhakara and Xiaobo Zhou

發表時間：2018/09/14

數字識別碼：10.1186/s13059-018-1512-3

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胚胎幹細胞（ESC）具有體外培養無限增殖、自我更新和多向分化的特性。解析ESC細胞定向分化決定機制對於發育生物學和再生醫學至關重要。已有研究表明可變剪切、細胞周期控制和組蛋白修飾等在ESC的定向分化中起著重要的作用。然而，這些機制之間的複雜關聯以及它們如何共同作用並參與ESC的命運決定還有待研究。

美國德克薩斯大學醫學中心（https://sbmi.uth.edu/ccsm/）周小波教授領導的研究團隊9月14日在Genome Biology發表最新研究成果，揭示了組蛋白修飾可通過調控細胞周期相關轉錄因子或通路基因的可變剪切進而參與ESC定向分化的調控。周小波教授為論文的通訊作者，徐雲剛助理教授和趙蔚苓副教授為共同第一作者；該校McGovern醫學院Scott D. Olson助理教授和 Karthik S. Prabhakara博士為共同作者。

本文研究者用人類胚胎幹細胞（hESC）H1細胞系以及由其誘導分化而來的四個細胞類型（包括中胚層細胞ME、滋養層類細胞TBL、神經母細胞NPC和間質幹細胞MSC）來代表五個不同分化程度的細胞譜系（cell lineage），並用IMR90用作終端分化體細胞的參照細胞。作者對這些細胞的轉錄組和表觀組進行了整合分析（圖1）。通過對轉錄組分析， 研究者首先鑑定了數千個與hESC分化關聯的可變剪切事件，這些事件的剪切模式很好的表徵了這些不同細胞譜系的分化程度和組織關係。

圖1. 本文研究的hESC分化示意圖及其組織學關係（原文Figure S1A）

先前在單一基因水平上的研究表明，組蛋白修飾可以參與調控轉錄耦合的可變剪切事件[1, 2]，進而揭示了組蛋白修飾不但可以決定基因的表達水平（比如通過啟動子和增強子表觀修飾），還可以決定基因是如何剪接的。然而，尚不清楚組蛋白修飾和可變剪切在全基因組水平上的關聯以及它們是如何共同參與某一生物過程的（如細胞分化）。因此，本文研究者整合分析了上述6種細胞的16種組蛋白修飾（包括9種組蛋白乙醯化修飾和7種組蛋白甲基化修飾）和轉錄組。研究者發現在hESC分化前後，絕大多數組蛋白修飾在可變剪切的外顯子周圍的動態變化要顯著於其它組成型外顯子（圖2A），表明組蛋白修飾可能與可變剪切調控有關。進一步的關聯分析表明，其中3種組蛋白修飾（H3K36me3、H3K27ac和H4K8ac）與大約52%的可變剪切事件有顯著的正或負相關性（圖2B）。

圖2. 組蛋白修飾與可變剪切關聯分析。A. 組蛋白修飾的動態變化主要發生在可變剪切的外顯子周圍。B. H3K27ac及其顯著正相關的可變剪切事件。（原文Figure 3A和3D）

作者進一步分析了與組蛋白修飾緊密關聯的可變剪切基因的功能，以期揭示它們在ESC定向分化中的作用。分析表明，與組蛋白修飾關聯的可變剪切基因與幹細胞的乾性密切相關（圖3A），且主要受到細胞分化相關轉錄因子的調控（圖3B）。進一步的功能富集分析表明組蛋白修飾關聯的可變剪切基因主要參與G2/M期過程以及DNA損傷修復，而其它可變剪切基因主要與G1/S期過程和Wnt通路有關（圖3C）。而之前已有研究表明在細胞分化過程中，細胞周期對於細胞命運的決定起了至關重要的作用。其中G1/S期是細胞接收外部刺激獲得分化指令的階段； 而G2/M期是細胞執行分化指令並最終決定細胞分裂後及其命運的階段[3-5]。本文的研究將組蛋白修飾、可變剪切和細胞周期相關的機制關聯起來，首次提供了一種胚胎幹細胞定向分化的綜合調控機制。

圖3. 組蛋白修飾關聯的可變剪切基因與其它基因具有顯著不同的功能富集。A. 組蛋白修飾關聯的可變剪切基因與幹細胞密切相關；B. 組蛋白修飾關聯的可變剪切基因主要受控於細胞分化有的關轉錄因子；C. 組蛋白修飾關聯的可變剪切基因與其它可變剪切基因分別富集於不同的細胞周期及相關通路。（原文Figure 4A-C）

最後，作者通過對ENCODE/Roadmap數據的分析和實驗驗證，證實了H3K36me3可以通過PSIP1/SRSF1適配器複合體來調節PBX1的可變剪切，進而決定hESC的分化命運。PBX1蛋白是TALE家族的同源異型結構域（homeodomain）轉錄因子。其主要功能涉及淋巴母細胞白血病[6]和多種癌症[7-12]，調控發育相關基因表達[13]，以及參與細胞周期調控[14]。PBX1基因有三個轉錄同源體 （RefSeq注釋），PBX1a、PBX1b和PBX1c。其中PBX1a和PBX1b是主要的轉錄本，由第7個外顯子的可變剪切產生。本文研究者發現，PBX1a和PBX1b的表達在hESC分化過程中與第7個外顯子周圍的H3K36me36修飾強度顯著正相關；對ENCODE/Roadmap收錄的56種細胞和組織的數據進行分析也進一步證實了此相關性。PBX1a主要在幹細胞中高表達，可通過調節NANOG基因表達進而激活多能性轉錄調控網絡來促進幹細胞增殖（圖4）；儘管具有與PBX1a相同的DNA結合結構域，但PBX1b在已分化細胞中高表達。由於PBX1b缺失了C末端的功能結構域，進而推測其喪失了PBX1a的轉錄調控活性，進而抑制了多能性轉錄調控網絡在已分化細胞中的活性。為了證實該推測，本文作者進一步對H1細胞系、由H1誘導分化而來的MSC細胞以及來自病人的兩株MSC細胞株系和IMR90細胞進行了大量的分子生物學實驗分析（ChIP-PCR, RIP-PCR, western-blot等）分子實驗，證實了H3K36me3在H1細胞和其它細胞間的變化以及PSIP1和SRSF1分別在染色質和pre-mRNA的第7外顯子周圍結合的變化。以上結果表明，PBX1基因的可變剪切可將H3K36me3修飾與ESC細胞分化的命運關聯起來（圖4），進而例證了組蛋白修飾可調控mRNA剪切來決定ESC細胞命運。

圖4. PBX1基因可變剪切將H3K36me3與hESC分化連接起來 (原文Figure 6F)

主要作者簡介

通訊作者：周小波

美國德州大學醫學中心終身正教授、Dr. & Mrs. Carl V. Vartian教授、計算與系統醫學研究中心主任。主要從事數據挖掘、機器學習、生物信息學、系統生物學、生物醫學成像、再生醫學、臨床與轉化醫學信息學、與手術設計與優化等的研究。先後在北大、清華、蘭大、華為、Missouri-Colombia大學、Texas A&M大學、Harvard大學、Cornell大學、維克森林大學、德州大學醫學中心從事大數據，生物醫學信息學與影像等的研發工作。

第一作者：徐雲剛

美國德州大學醫學中心助理教授。2014年獲得哈爾濱工業大學生物信息學博士學位，同時具有生物學學士和碩士學位。先後在維克森林大學和德州大學醫學中心從事博士後研究工作，主要研究方向為生物信息學和計算生物學。具體研究內容包括基因和miRNA雙層網絡重構、建模與分析等系統生物學領域；SNP、GWAS、NGS數據處理與分析等功能基因組學領域；以及算法設計、統計模型構建、深度學習方法開發等數據挖掘領域。目前主要從事基於高通量測序數據（含單細胞測序）的表觀組和轉錄組調控研究。

共同第一作者：趙蔚苓

美國德州大學醫學中心副教授，分別在1998年和2000年獲得愛荷華大學醫學碩士和博士學位。先後在愛荷華大學，維克森林大學和德州大學醫學中心從事放射醫學和生物信息醫學相關的研究。她在放射醫學，氧化應激誘導和癌症生物學有著多年的豐富研究經驗。

參考文獻

1. Luco RF, Pan Q, Tominaga K, Blencowe BJ, Pereira-Smith OM, Misteli T: Regulation of alternative splicing by histone modifications. Science 2010, 327:996-1000.

2. Luco RF, Allo M, Schor IE, Kornblihtt AR, Misteli T: Epigenetics in Alternative Pre-mRNA Splicing.Cell 2011, 144:16-26.

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5. Dalton S: Linking the Cell Cycle to Cell Fate Decisions. Trends in Cell Biology 2015, 25:592-600.

6. Foa R, Vitale A, Cuneo A, Mecucci C, Mancini H, Cimino G, Cutinelli F, Saglio G, Torelli G, Quarta G, et al: E2A-PBX1 fusion in adult acute lymphoblastic leukemia (ALL) with t(1;19) translocation: Biologic and clinical features. Blood 2000, 96:189b-189b.

7. Jung JG, Kim TH, Gerry E, Kuan JC, Ayhan A, Davidson B, Shih IM, Wang TL: PBX1, a transcriptional regulator, promotes stemness and chemoresistance in ovarian cancer. Clinical Cancer Research2016, 22.

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14. Koss M, Bolze A, Brendolan A, Saggese M, Capellini TD, Bojilova E, Boisson B, Prall OWJ, Elliott DA, Solloway M, et al: Congenital Asplenia in Mice and Humans with Mutations in a Pbx/Nkx2-5/p15 Module. Developmental Cell 2012, 22:913-926.

摘要：

Background

Understanding the embryonic stem cell (ESC) fate decision between self-renewal and proper differentiation is important for developmental biology and regenerative medicine. Attention has focused on mechanisms involving histone modifications, alternative pre-messenger RNA splicing, and cell-cycle progression. However, their intricate interrelations and joint contributions to ESC fate decision remain unclear.

Results

We analyze the transcriptomes and epigenomes of human ESC and five types of differentiated cells. We identify thousands of alternatively spliced exons and reveal their development and lineage-dependent characterizations. Several histone modifications show dynamic changes in alternatively spliced exons and three are strongly associated with 52.8% of alternative splicing events upon hESC differentiation. The histone modification-associated alternatively spliced genes predominantly function in G2/M phases and ATM/ATR-mediated DNA damage response pathway for cell differentiation, whereas other alternatively spliced genes are enriched in the G1 phase and pathways for self-renewal. These results imply a potential epigenetic mechanism by which some histone modifications contribute to ESC fate decision through the regulation of alternative splicing in specific pathways and cell-cycle genes. Supported by experimental validations and extended datasets from Roadmap/ENCODE projects, we exemplify this mechanism by a cell-cycle-related transcription factor, PBX1, which regulates the pluripotency regulatory network by binding to NANOG. We suggest that the isoform switch from PBX1a to PBX1b links H3K36me3 to hESC fate determination through the PSIP1/SRSF1 adaptor, which results in the exon skipping of PBX1.

Conclusion

We reveal the mechanism by which alternative splicing links histone modifications to stem cell fate decision.

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期刊介紹：

Genome Biology (https://genomebiology.biomedcentral.com/) publishes outstanding research in all areas of biology and biomedicine studied from a genomic and post-genomic perspective.

The current impact factor is 13.214* and the journal is ranked 4th among research journals in the Genetics and Heredity category by Thomson Reuters. Genome Biology is the highest ranked open access journal in the category.

（來源：科學網）

 

 

 

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