Nat Comm丨科学家揭示增强子RNA在成肌细胞分化进程中作用机制
2020-01-02
责编 | 酶美
增强子是基因组上一大类能增强启动子转录活性的顺式作用元件，它决定着细胞、组织的时空特异性表达程序。而在不同类型疾病中，DNA序列突变往往也发生在增强子区域。了解增强子区域的事件，哪些因子时序性地参与到增强子的激活与失活因而成为了解细胞发育，疾病发生及治疗的关键【1-3】。近年来，研究表明激活的增强子区域会发生RNA聚合酶II（RNA Pol II）的转录，产生增强子RNA（Enhancer RNA，eRNA）。然而，在不同的生命进程中，eRNA仅是转录噪音还是确有功能，是增强子区域转录事件（transcription events）起作用还是eRNA转录本自身在起作用，关于这些问题仍存在一定的争议【4】。而关于eRNA调节靶基因转录的分子机制，尚没有一致的观点，仍吸引大量的研究深入探索。
2019年12月19日，香港中文大学王华婷研究组与孙昊研究组在Nature Communications杂志上在线发表了题为 MyoD inducedenhancer RNA interacts with hnRNPL to activate target gene transcription duringmyogenic differentiation的研究论文。该文揭示了成肌细胞分化进程中eRNA表达的动态谱图，并提出了eRNA激活靶基因转录的新机制。
骨骼肌是人体中的重要器官并具有强大的再生功能，这主要依赖于肌肉中成体干细胞的存在。成年人体内的肌肉干细胞亦被称为卫星细胞（satellite cell），通常处于静息状态，而当肌细胞受损时，卫星细胞能够迅速激活，增殖并分化，进而完成肌细胞结构与功能的再生。其中，关键转录因子MyoD和其他肌源性调控因子共同决定着肌细胞的身份和分化进程。香港中文大学王华婷研究组一直以来致力于在骨骼肌再生进程中转录因子，表观调控因子及非编码RNA介导的调控网络研究。通过与孙昊研究组合作，该组于2017年揭示了成肌细胞分化过程中增强子图谱的动态变化【5】。而在Nature Communications这项工作中，研究者首先通过GRO-seq系统地鉴定了成肌细胞分化过程中eRNA表达图谱的动态变化。通过结合PolyA+ RNA-seq，Total RNA-seq数据，研究者进一步对eRNA细分了不同类别：Bi-stable， Uni-stable 和Unstable。同以往研究一致，这项工作发现绝大部分eRNA（~80%）并不稳定，并不能被常规的RNA-seq捕获；而不同类别的eRNA相应基因组上的染色质修饰，转录因子和RNA聚合酶II的结合都有不同。
那么哪些因子促进eRNA的转录？通过对eRNA TSS区域序列分析，结合转录因子及染色质调控因子在成肌细胞的ChIP-seq数据分析，研究者发现成肌细胞分化前后不同的转录因子模块（combinational module）可以激活分化阶段特异性eRNA的表达。通过构建关键转录因子MyoD的敲除细胞系，研究者证实MyoD对成肌细胞分化阶段eRNA表达的至关重要。
为了进一步探究eRNA参与基因调控的机制，研究者进一步以两个eRNA（seRNA-1， -2）为例，通过RNA pull down，RIP，CLIP实验结果表明，eRNA能通过与hnRNPL这一经典的RNA结合蛋白相互结合。有意思的是，研究者发现这两个eRNA并不与已知的eRNA结合蛋白，如Mediator，Cohesin，YY1等相互作用，从而提示eRNA作用机制上有不同于以往发现的更多可能性。通过deletion mapping，作者发现seRNA-1上的一段CAAA结合基序对于seRNA-1同hnRNPL的结合至关重要。进一步通过构建体外敲除细胞系，及构建肌肉系统特异性在体敲除，研究者们详实地证明了这段基序对于seRNA-1/hnRNPL的结合及对靶基因的调控至关重要，敲除这段基序，seRNA-1与hnRNPL无法结合，而临近的靶基因Mb表达亦会下降。
那么hnRNPL是不是一个普遍的eRNA结合因子？研究者们在成肌细胞中通过hnRNPL CLIP-seq，发现hnRNPL的RNA结合靶点有部分落在了增强子区域。进一步分析已有的HeLa， T 细胞的CLIP-seq数据，研究者们提出eRNA-hnRNPL结合并不局限于个别eRNA，相反这也许是细胞中普遍存在的现象。eRNA与hnRNPL结合又是如何调控靶基因的转录呢？研究者通过ChIP进一步验证了eRNA，hnRNPL可以通过调控Pol II的延伸，H3K36me3的标记影响靶基因的表达。值得一提的是，最新研究表明RNA结合蛋白与染色质有广泛的相互作用，并且富集在基因启动子和增强子区域，以实现RNA介导的转录调控【6, 7】。而此项研究所揭示的eRNA-hnRNPL新机理则印证了RNA结合蛋白对转录调控的可能性，相信将来会有许多研究继续为这这一领域添砖加瓦。
这篇研究中还有一个出乎意料的发现，研究者发现通过seRNA-1 RNA tethering将hnRNPL锚定在靶基因Mb启动子区域或过表达hnRNPL，Mb的表达反而下降。作者提出eRNA-hnRNPL的结合可能还调控着hnRNPL在靶基因启动子区域的结合剂量但是具体的机制并不清楚目前作为此项课题的延续，仍在继续探索中。
综上所述，这项研究揭示了eRNA对转录调控的新机制，为进一步探索eRNA在基因调控中的功能和机制提供了新视角（图1）。
图1. seRNA-1与hnRNPL结合调控靶基因Mb转录的机制示意图
据悉，香港中文大学矫形外科与创伤学系博士后赵喻和香港中文大学化学病理系博士生周家健是该研究成果的共同第一作者。矫形外科与创伤学系王华婷教授与化学病理系孙昊教授是该论文的共同通讯作者。中国科学院广州生物医药与健康研究院Miguel A. Esteban研究员，鲍习琛研究员，深圳湾实验室孙坤研究员，香港中文大学矫形外科与创伤学系博士后何良强，李俞莹，陈小娜，化学病理系博士生袁杰也在该课题研究中做出了重要贡献。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-13598-0
1. Heinz, S., et al., The selection and function of cell type-specific enhancers. Nat RevMol Cell Biol, 2015. 16(3): p.144-54.
2. Hnisz,D., et al., Super-enhancers in thecontrol of cell identity and disease. Cell, 2013. 155(4): p. 934-47.
3. Gao,W.W., et al., JMJD6 LicensesERalpha-Dependent Enhancer and Coding Gene Activation by Modulating theRecruitment of the CARM1/MED12 Co-activator Complex. Mol Cell, 2018. 70(2): p. 340-357 e8.
4. Li,W., D. Notani, and M.G. Rosenfeld, Enhancersas non-coding RNA transcription units: recent insights and future perspectives.Nat Rev Genet, 2016. 17(4): p.207-23.
5. Peng,X.L., et al., MyoD- and FoxO3-mediatedhotspot interaction orchestrates super-enhancer activity during myogenicdifferentiation. Nucleic Acids Res, 2017. 45(15): p. 8785-8805.
6. Xiao,R., et al., Pervasive Chromatin-RNABinding Protein Interactions Enable RNA-Based Regulation of Transcription.Cell, 2019. 178(1): p. 107-121 e18.
7. Bi,X., et al., RNA Targets RibogenesisFactor WDR43 to Chromatin for Transcription and Pluripotency Control. Mol Cell, 2019. 75(1): p. 102-116 e9.
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