【抗疫期间的清华科研】医学院沈晓骅课题组在非编码RNA的染色质结合机制研究

清华新闻网3月12日电 3月12日，清华大学医学院沈晓骅教授团队在《自然》(Nature)杂志上在线发表了题为 “U1 snRNP调控非编码RNA的染色质滞留”(U1 snRNP regulates chromatin retention of noncoding RNAs)的研究论文，首次报道了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。

哺乳动物基因组的广泛转录产生了大量的非编码RNA，相比于细胞质定位的蛋白编码mRNA，这些非编码RNA如长链非编码RNA(lncRNA)、启动子和增强子关联的不稳定转录本(uaRNA、eRNA)等更倾向于结合染色质参与调控染色质结构、转录和RNA加工等过程。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。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。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，U1 snRNP在细胞中的丰富存在仍然是一个让人困惑的问题。

为了探究lncRNA的染色质结合机制，研究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，研究者分别使用antisense morpholino oligos(AMO)和auxin-induced degron(AID)诱导蛋白降解系统，来抑制U1 snRNA和核心蛋白组分SNRNP70的功能。研究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。研究者进一步证明了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，研究者鉴定了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，研究者通过以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，研究者提出如下模型(图1)：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)。

图1. U1 snRNP介导非编码RNA染色质结合的模式图。

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。

清华大学沈晓骅课题组的尹亚飞博士为本文的第一作者。尹亚飞博士和沈晓骅教授为该论文的共同通讯作者。沈晓骅课题组的博士生卢雨阳、张雪纯、邵雯和洪彦涛等参与了此项工作。论文的其他研究者还包括清华大学生命学院张强锋教授及其博士生李盼，中国科技大学的单革教授，以及美国罗格斯大学新泽西医学院(Rutgers New Jersey Medical School)的田斌教授。该研究得到了国家自然科学基金委、科技部重点研发项目、北京市高精尖中心及生命科学联合中心等多个项目的支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2105-3

供稿：医学院

编辑：吕婷

审核：程曦

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