Cell|長非編碼RNA種屬特異性加工決定其功能差異

2020-12-04 BioArt生物藝術

責編丨迦漵

人類基因組中超過98%的區域都是非編碼區域。長非編碼RNA 是一類廣泛轉錄但不翻譯產生功能性蛋白質的核糖核酸大分子。越來越多的研究表明它們在基因表達調控過程中發揮著重要功能【1】。

中國科學院分子細胞科學卓越創新中心（生物化學與細胞生物學研究所）陳玲玲研究組長期從事長非編碼RNA生物學研究。2016年陳玲玲曾提出長非編碼RNA功能與其加工和定位息息相關，而解析它們的加工代謝等生物學過程有助於深入認識其功能【2,3】。

近年來通過研究不同類型長非編碼RNA分子家族的加工、代謝、定位與功能的偶聯，陳玲玲組發現了一系列長非編碼RNA的新功能(http://www.chenlab-ncrna.com/publications )，對認識它們的生物學意義具有重要推動作用【4,5】。

與信使RNA在物種進化過程中的序列和功能都高度保守不同，長非編碼RNA在不同物種之間缺乏嚴格的序列保守性，但在序列、RNA結構、基因組的位置和作用機制等多個層次上體現保守性。其中，不同物種之間序列和基因組位置保守的長非編碼RNA的加工是否保守、以及其相應的生物學功能是否保守是一個重要問題。

2020年4月6日，陳玲玲研究組在Cell上發表文章Distinct processing of lncRNAs contributes to non-conserved functions in stem cells，首次發現長非編碼RNA在不同物種來源幹細胞中的特異性加工是其發生適應性功能變化的重要機制，為深入理解長非編碼RNA的功能及進化提供了新思路。

這項最新研究通過分離人、鼠胚胎幹細胞細胞核和細胞質來源的RNA結合高通量測序分析，首次發現人、鼠胚胎幹細胞中長非編碼RNA的加工及亞細胞定位存在顯著差異。序列及基因組位置保守的長非編碼RNA在人胚胎幹細胞中更多的定位在細胞質內，而在鼠胚胎幹細胞中則更多的滯留在細胞核內。

值得一提的是，多個定位在人胚胎幹細胞細胞質中的長非編碼RNA參與維持人幹細胞自我更新，而相應的基因組位置保守的長非編碼RNA則更趨向於定位在鼠胚胎幹細胞核內，對幹細胞維持沒有明顯作用。這些長非編碼RNA在不同物種來源的幹細胞內的亞細胞定位的不同，提示它們在人、鼠的胚胎幹細胞中可能具有不同的加工方式和生物學功能。

研究詳細解析了其中一個新型的長非編碼RNA ——FAST在維持人胚胎幹細胞自我更新的分子機制。FAST是基因組位置保守的長非編碼RNA，在胚胎幹細胞中特異高表達。在人、猴來源的胚胎幹細胞hFAST定位在細胞質內，維持胚胎幹細胞的自我更新。

機制研究表明，在人胚胎幹細胞中，細胞質定位的hFAST結合β-TrCP蛋白，使β-TrCP不能降解重要信號通路WNT中關鍵蛋白β-catenin，從而維持WNT信號通路持續激活和幹細胞的自我更新。在鼠源胚胎幹細胞中，mFast定位在細胞核內，不能結合β-TrCP，也不影響WNT信號通路和幹細胞多能性。

為了進一步探究長非編碼RNA在不同物種間加工定位差異的分子機制，研究人員結合生物信息學分析預測和實驗驗證篩選到了調控它們不同定位的關鍵因子PPIE。在鼠胚胎幹細胞中，PPIE蛋白高表達並抑制長非編碼RNA(包括mFast)的剪接加工而使其滯留在細胞核內；在人胚胎幹細胞中，PPIE蛋白低表達，使得更多的長非編碼RNA被剪接加工並得以運輸到細胞質內發揮功能；而在猴胚胎幹細胞中PPIE蛋白的表達、FAST以及其它長非編碼RNA在細胞內的定位和功能則更趨向於人胚胎幹細胞。

該工作首次發現非保守的RNA加工和定位在長非編碼RNA發揮功能過程中具有重要作用，從而提示長非編碼RNA的姿態萬千可能是物種特異性的調控和適應的一個重要機理。

據悉，中國科學院分子細胞卓越創新中心(生物化學與細胞生物學研究所)陳玲玲研究組博士研究生郭純潔和中國科學院-德國馬普計算生物學夥伴研究所楊力研究組博士研究生馬旭凱為該論文的共同第一作者，陳玲玲研究員為該論文通訊作者。楊力研究員、美國康乃狄克大學Gordon Carmichael教授、北京大學汪陽明教授及其團隊成員參與了該項研究。該項工作也得到分子細胞中心李勁松研究員、景乃禾研究員，分子生物學技術平臺和細胞分析技術平臺的大力支持。

圖示：長非編碼RNA非保守的加工和定位決定其在不同物種來源幹細胞中的不同功能。該發現提示長非編碼RNA的姿態萬千可能是物種特異性的調控和適應的一個重要機理。

製版人：珂

參考文獻

1. Yao RW, Wang Y, Chen LL. Cellular functions of long noncoding RNAs. Nat Cell Biol.2019;21(5):542–551. doi:10.1038/s41556-019-0311-8

2. Chen LL. Linking Long Noncoding RNA Localization and Function. Trends Biochem Sci.2016;41(9):761–772. doi:10.1016/j.tibs.2016.07.003

3. Chen LL. Ling-Ling Chen: Linking Long Noncoding RNA Processing and Function to RNA Biology. Trends Biochem Sci.2016;41(9):733–734. doi:10.1016/j.tibs.2016.07.006

4. Yao RW, Liu CX, Chen LL. Linking RNA Processing and Function [published online ahead of print, 2020 Feb 4]. Cold Spring Harb Symp Quant Biol.2020;039495. doi:10.1101/sqb.2019.84.039495

5. A Conversation with Ling-Ling Chen [published online ahead of print, 2019 Dec 20].Cold Spring Harb Symp Quant Biol.2019;039032. doi:10.1101/sqb.2019.84.039032

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