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科研進展

廣州健康院等揭示SOX2/DDX5與R-loop協同調控體細胞重編程爲誘導多能幹細胞的新機制

發表日期:2020-06-11供稿:李堯益來源:放大 縮小

  基因表達調控是決定細胞命運的重要因素,通過改變基因的表達模式即可實現對細胞命運的精准調控。比如運用Yamanaka四個轉錄因子(Oct4, Sox2, Klf4, c-Myc)在體外就可將體細胞成功重編程爲誘導多能幹細胞。2020610日,中國科學院广州生物医药與健康研究院/廣州再生醫學與健康廣東省實驗室姚紅傑課題組聯合清華大學生命科學學院孫前文課題組在國際學術期刊Science Advances在線發表了題爲R-loops Coordinate with SOX2 in Regulating Reprogramming to Pluripotency的研究論文,该研究成果揭示了SOX2/Ddx5R-loop協同調控體細胞重編程的新機制。 

  在基因轉錄過程中,會形成一種由單鏈DNADNA:RNA雜合鏈組成的三鏈核酸結構,稱爲R-loopR-loop廣泛存在于各個物種中,最早被認爲是轉錄的副産物,但近年來發現R-loop在很多生物學過程中發揮著重要的作用。已有研究報道R-loop相關蛋白很多都是RNA結合蛋白(RBP),然而RBP如何協同R-loop在細胞命運決定中發揮作用尚不清楚。早在2017年,姚紅傑課題組在國際學術期刊Cell Stem Cell已經揭示了RBP Ddx5通過調節miR-125b代謝從而負向調控PRC1複合物的非經典亞基RING1YY1結合蛋白(RYBP)的雙重功能,進而調控體細胞重編程爲誘導多能幹細胞。但是Ddx5作爲RNA解旋酶在體細胞重編程中的功能仍然未知。 

  研究團隊運用ssDRIP-seq技術,首先繪制了體細胞重編程過程中R-loop的動態變化圖譜,發現R-loop并不是简单地作爲转录的副产物出现,而是在转录发生变化之前就开始变化。根据R-loop的分布特點,結合多組學分析發現R-loop变化與染色质开放程度及增强子活性存在很高的正相关性,并與体细胞重编程过程密切相关。研究人员发现敲降R-loop的重要調控蛋白RNaseH1的表達可抑制體細胞重編程的進程。爲了研究R-loop與体细胞重编程的关系,研究人员构建了RNaseH1突變體。體外實驗表明RNaseH1酶活位點單個氨基酸的點突變體(RNaseH1D209N)可以顯著抑制野生型RNaseH1R-loop的消解作用。重編程實驗表明RNaseH1D209N可以改變R-loop水平進而影響體細胞重編程的進程。 

  因子篩選實驗表明Yamanaka四因子中只有Sox2可以回複因R-loop改变而被抑制的重编程。與對照组相比,过表达Sox2處理組中重編程細胞的R-loop水平更高。結合組學數據及生物信息分析發現Sox2結合位點附近的R-loop水平較高,而且在重編程過程中增加Sox2的表達量可以增加相關位點R-loop水平。結合RNA-seqssDRIP-seq數據發現Sox2促進多能性基因相關位點的R-loop富集。進一步生物信息分析發現Sox2調控的R-loop更傾向位于基因的啓動子區域。  

  研究發現雖然Sox2可以與R-loop形成複合物,但EMSA實驗結果表明Sox2並不具有直接結合R-loop的能力,而是间接参與调控R-loop水平的變化。爲了揭示Sox2R-loop的调控关系,研究人员通过质谱數據發現Sox2RNA解旋酶Ddx5存在相互作用。體外R-loop消解實驗揭示Ddx5解旋酶可以直接消解R-loop,而Sox2Ddx5相互作用並抑制DDX5R-loop的消解作用。研究還發現Sox2通過其DNA結合結構域(HMG區域)抑制Ddx5R-loop的消解作用。 

  該研究進一步發現Sox2這一新功能並不依賴于Sox2的轉錄因子活性。體細胞重編程實驗發現Sox2可回複因Ddx5而被抑制的重編程進程以及上調Ddx5相關調控位點的R-loop水平,進而促進體細胞重編程爲多能幹細胞。這項研究發現了Sox2/Ddx5協同調控R-loop参與体细胞重编程过程,阐明了R-loop對细胞命运調控的重要作用,并揭示了Sox2這一傳統轉錄因子的新功能。

  中國科學院广州生物医药與健康研究院/广州再生医学與健康广东省实验室姚红杰研究員與清华大学生命科学学院孙前文研究員为本文的共同通讯作者。姚红杰课题组博士生李尧益、宋亚威和孙前文课题组博士后徐炜、博士生李沁为本文共同第一作者。该课题的实施得到了来自中國科學院生物物理研究所薛愿超研究員和德国马普协会分子医学研究所Hans Scholer研究員的帮助。该工作得到来自国家重点研发计划干细胞专项、国家杰出青年科学基金、中國科學院战略性先导科技专项、广州再生医学與健康广东省实验室、清华-北大生命科學聯合中心等項目經費的支持。 

  論文链接

  

  图1. R-loop水平变化影响体细胞重编程。 

  

  图2. Sox2/Ddx5協同調控R-loop。 

   

  图3. 本研究的模式图。 

  

  

  

    

 

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