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張進課題組Protein & Cell 揭示核仁定位的RNA結合蛋白LIN28調控小鼠胚胎干細胞多能性狀態與二細胞樣狀態轉變機制

來源 : 基礎醫學(xue)系    發布時間 : 2021-08-03    瀏覽次數 : 421

哺乳動物胚胎發育是一個緊密調控、有序的過程,在小鼠胚胎發育到二細胞(2C)時期,合子基因組開始大量轉錄激活,并伴隨著內源性病毒(Endogenous Retro Virus, ERV)的瞬時上調。此時的細胞被認為是具有全能性的細胞,具有形成胚胎的和胚胎外部組織的能力。胚胎干細胞(Embryonic Stem Cell, ESC)來自于胚胎早期發育至囊胚期的內細胞團,能夠分化成為三個胚層以及生殖細胞,因此是具有多能性的細胞。近年來研究發現,在體外培養的ESCs中,有一小部分細胞能夠自發轉變成二細胞樣(2C-like)細胞。ES-2C轉變如何被調控是該領域內備受關注的問題。現已有文章報道表觀遺傳因子、miRNALINE1等參與2C基因和ERV的表達調控,但ES-2C轉變的穩態調控與維持的分子機制仍需要進一步探究。

2021731日,加拿大pc干細胞與再生醫學中心/加拿大pc醫學院附屬第一醫院/浙江省良渚實驗室的張進課題組在Protein & Cell雜志上發表題為“LIN28 Coordinately Promotes Nucleolar/Ribosomal Functions and Represses the 2C-like Transcriptional Program in Pluripotent Stem Cells”的研究論文,本研究首次報道RNA結合蛋白LIN28ES-2C轉變調控中的作用以及分子機制。

LIN28是一種RNA結合蛋白,在小鼠胚胎早期發育、干細胞分化/重編程、腫瘤發生和代謝中具有重要作用。以往的研究主要集中于它在細胞質中與Let-7 microRNA前體或mRNA的相互作用,而LIN28在細胞核中的作用尚不十分清楚。本研究發現LIN28在小鼠早期胚胎發育過程中在時間和空間上呈現動態變化。在胚胎二細胞時期,母源性LIN28逐步被降解,從四細胞開始,合子的LIN28開始表達且定位在核仁前體的外周。隨著核仁的逐漸成熟,LIN28的定位也轉移到核仁中。在體外培養的ESCs中,LIN28的缺失能夠上調2C/4C特異性表達的基因和ERV的表達。同時,LIN28的敲除導致ESCs2C-like細胞比例的上調和細胞增殖能力的降低(圖1)。

1. LIN28的缺失上調2C/ERV基因的表達,降低細胞增殖能力。

進一步研究發現,參與調控2C/ERV基因的上游轉錄因子DUX,在LIN28敲除的細胞中表達顯著上調。并且Dux的敲低能夠恢復Lin28缺失引起的2C/ERV表達的上調。ChIP-seq的結果顯示,LIN28敲除導致Dux及其下游靶基因的H3K9me3表觀遺傳修飾水平顯著下調,說明LIN28通過調控DUX的表觀遺傳修飾來參與2C/ERV表達的調控(圖2)。

2. LIN28通過抑制Dux調控ERV的表達。

在分子機制方面,本研究發現,一方面,LIN28能夠與核仁內的RNA,包括snoRNArRNA相互作用,從而維持核仁的完整性,LIN28的缺失會導致rRNA表達水平下調、核仁相分離缺陷、翻譯功能的減弱,引起核仁應激和p53的激活。而激活的p53蛋白能夠與Dux DNA結合促進其表達,進而激活2C基因和ERV的表達。這一結果與Edward J. Grow等人近期發表的文章的結果一致(圖3)。

3. LIN28snoRNArRNA結合,其缺失導致rRNA生成減少和核仁應激。

另一方面,LIN28能夠與核仁蛋白NucleolinNCL)和轉錄抑制因子TRIM28相互作用,LIN28敲除導致NCL/TRIM28復合體在Dux DNArDNA上的結合減少(圖4),進而導致Dux基因表達抑制作用被解除、rRNA轉錄被抑制。因此,LIN28缺失導致ESCs呈現細胞周期變慢、翻譯和代謝水平下調的2C-like狀態。提示與此前報道的LINE1機制類似, LIN28可能協調參與了關閉2C program,并開啟4C后的核仁生成的program

4. LIN28ANCL/TRIM28復合物相互作用可以同時介導對rDNA2C基因表達的調控。

為了進一步驗證核仁與ES/2C-like狀態轉變的關系,通過比較tomato標記的2C-like陽性細胞與陰性細胞的轉錄組數據,作者發現陽性細胞群核糖體基因的表達水平和細胞周期都顯著低于陰性細胞群。單細胞轉錄組測序數據也發現,在野生型的ESCs中,ERV的表達與核糖體基因的表達呈現顯著的負相關(圖5)。

5. ERV基因表達與核糖體蛋白基因呈較強的負相關。

同時,胚胎實驗結果也證實了上述結論,雖然LIN28缺失的胚胎可以發育到囊胚,LIN28的敲低可以導致囊胚期蛋白翻譯水平的下調、2C基因和ERV表達的上調以及核糖體基因表達的下調(圖6)。

6. 在早期胚胎發育過程中,LIN28抑制2C基因的表達和促進核糖體基因的表達。

總之,本研究首次揭示了定位于核仁中RNA結合蛋白LIN28在小鼠早期胚胎發育過程中的新功能,以及LIN28介導的核仁完整性在ES-2C狀態轉變和基因表達調控中的作用。

圖: LIN28調控核仁功能以及2C-ES狀態轉變的示意圖

該論文的共同第一作者是加拿大pc的科研助理孫振、博士后余華和博士生趙靜,還得到了清華大學沈曉驊課題組,加拿大pc沈力、馮鈺、孫啟明、陳銘課題組等國內外單位與課題組的支持。


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