人和鼠的基因組擁有大量的非編碼核酸序列。非編碼RNA在細胞核染色質上的定位與其調控功能緊密相關。相比細胞質定位的蛋白編碼信使mRNA，眾多的非編碼RNA，比如長鏈非編碼lncRNA、和啟動子和增強子調控元件關聯的不穩定轉錄本（uaRNA、eRNA），更傾向於結合在染色質上參與調控染色質結構、轉錄和RNA加工等過程
【1-3】。儘管零星報導少數RNA核滯留的現象，但為何大部分lncRNA會滯留於染色質上行使調控功能，仍是個不解之謎。上世紀80年代初，Joan Steitz通過系統性紅斑狼瘡患者血液抗體分離提取 U1、U2、U4、U5和U6小核糖核蛋白粒子(又稱為 snRNP)，揭示了它們參與RNA剪接的經典功能【4,5】。近年來施一公團隊系統報導了真核生物剪切體的原子結構和生化功能。然而，一直讓人困惑的是，細胞內U1 snRNP的數量為什麼比其它剪接相關snRNP高 2-5倍【6】。雖然Gideon Dreyfuss和Phil Sharp等團隊曾揭示U1 snRNP調控轉錄終止和方向的非經典功能【7,8】，U1 snRNP在細胞中的豐富存在仍然是一個讓人困惑的問題。
2020年3月11日，清華大學沈曉驊團隊在Nature雜誌上在線發表了題為 “U1 snRNP regulates chromatin retention of noncoding RNAs”的研究論文，首次揭示U1 snRNP廣泛調控非編碼RNA在染色質上的結合和移動的新機制。
作者首先建立和運用一套新穎的mutREL-seq方法來高精度篩選調控RNA定位的關鍵序列，意外發現了U1 snRNP識別位點參與調控候選RNA的染色質滯留。相比於蛋白編碼基因，lncRNA轉錄本含有更多的U1識別位點（同時也是潛在的5’剪接供體位點），而其基因組區域具有更少的3’剪接受體位點。並且U1 snRNP更高水平地結合在lncRNA上。
隨後，作者分別使用antisense morpholino oligos(AMO)和AID（auxin-induced degron）誘導蛋白降解系統，來抑制U1 snRNA和核心蛋白組分SNRNP70的功能。作者發現小鼠胚胎幹細胞中近一半的lncRNA受U1 snRNP調控。另外，與轉錄調控元件關聯的不穩定非編碼轉錄本如uaRNA、eRNA等，它們的染色質結合在U1 snRNP抑制後也顯著下降。作者進一步證明了U1 snRNP直接調控成熟lncRNA與染色質的結合，而不是通過影響RNA合成、加工或降解過程的動態變化所產生的間接影響。
機制上，作者鑑定了U1 snRNP在染色質上的互作蛋白，發現U1 snRNP結合特定磷酸化狀態的RNA轉錄聚合酶II （Pol II）。轉錄抑制明顯降低了U1 snRNP及其所調控的非編碼RNA與染色質的結合，表明U1 snRNP通過與磷酸化的Pol II互作來介導其互作RNA與染色質的結合。
最後，作者通過以lncRNA Malat1為例，進一步驗證了U1 snRNP對其染色質結合的調控作用。去除SNRNP70後，絕大部分Malat1 “核斑”定位信號消失，並彌散在核質及細胞質中。同時，Malat1在活躍表達基因染色質區域的結合信號顯著下降，表明U1 snRNP不僅可以將Malat1滯留在染色質上，同時也參與調控後者在染色質上的移動及其與靶基因的結合。
綜上，作者提出如下模型：5’和3’剪接位點在lncRNA上的不對稱分佈，致使U1 snRNP持續結合在lncRNA轉錄本上，而不能通過RNA剪接過程釋放，從而介導了lncRNA的染色質滯留。磷酸化Pol II進一步介導了lncRNA-U1 snRNP複合體在染色質上的移動（mobilization）。對於大多數低丰度、不穩定的lncRNA，它們只能靶向結合鄰近的染色質區域（順式cis作用）；而對於少數穩定和高丰度的lncRNA，如Malat1，U1 snRNP促進了其遷移和結合更多的靶基因區域（反式trans作用）。
該工作不僅揭示了U1 snRNP介導非編碼RNA在染色質上功能和調控的新模式，而且拓寬了U1 snRNP這一被廣泛研究的小核糖核蛋白粒子的新穎功能。
據悉，清華大學沈曉驊實驗室的尹亞飛博士為該論文的第一作者，博士生盧雨陽，張雪純，邵雯和洪彥濤等參與了此工作，論文的其他作者還包括清華大學的張強鋒教授及其博士生李盼，中國科技大學的單革教授，以及美國Rutgers New Jersey Medical School的田斌教授。尹亞飛博士和沈曉驊教授為該論文的共同通訊作者。
沈曉驊實驗室主要致力於探索基因組中非編碼核酸序列如何調控染色質結構和基因表達的新機制。包括從系統和分子水平上研究非編碼RNA、基因組重複序列和RNA結合蛋白，影響轉錄和染色質高級結構的新模式；從獨特的視角來揭示幹細胞多能性和細胞命運決定的普適性規律。近年來主要成果包括：認識非編碼RNA調控鄰近基因轉錄是一種普遍模式，為lncRNA功能預測提供概念性突破（Cell Stem Cell，2015 和2016; Development,2019; JMCB,2019）；非編碼RNA和RNA結合蛋白廣泛結合於人和鼠的基因組，它們在轉錄過程中被招募到染色質上，並反饋調控轉錄和染色質結構 （Mol Cell,2019; Cell Reports,2020; Nature,2020）（Mol Cell丨清華沈曉驊團隊發現參與胚胎幹細胞多能性維持和轉錄調控的新分子）；以及基因組重複序列協同調控基因表達和染色質高級結構的新穎功能 (Cell Reports,2020)（Cell Reports | 沈曉驊團隊揭示重複序列對宿主基因組結構和功能的調控作用）。沈曉驊現為清華大學長江學者特聘教授、清華醫學院長聘副教授和生命科學聯合中心高級研究員，是國家傑出青年基金獲得者和《Cell Reports》編委會委員。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41586-020-2105-3
參考文獻
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