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滿堂彩張進課題組報道rRNA生物發生通過調控核仁相分離以及重塑核仁周邊異染色質區高級結構來調控小鼠ES-2C-like 細胞的命運轉變

來源 :基礎醫(yi)學系(xi)    發布時間 :2021-11-11    瀏覽次數 :406

2021年119日,滿(man)堂彩(cai)醫滿(man)堂彩(cai)官網基礎醫學系(xi)干細(xi)胞與(yu)再(zai)生醫學中心/滿堂彩醫(yi)滿堂彩官(guan)網附屬第一(yi)醫(yi)院/浙江省良渚(zhu)實驗(yan)室(shi)張進(jin)課(ke)題組在Nature Communications雜志上發表題為“rRNA Biogenesis Regulates Mouse 2C-like State by 3D Structure Reorganization of Peri-Nucleolar Heterochromatin”的研(yan)究論(lun)文,本研(yan)究通過(guo)多組(zu)學數據整合挖掘與分子實驗相結合的研(yan)究策(ce)略首次發(fa)現核糖體(ti)RNA生物發生通(tong)過(guo)調控(kong)核仁相分離以(yi)及重塑核仁周邊異染色質區高級結構(gou)來調控(kong)ES-2C-like細胞命(ming)運轉(zhuan)變以及(ji)早(zao)期胚胎發(fa)育。多種抑制rRNA生成的(de)方法(fa)可(ke)以誘發核仁應激(ji)(nucleolar stress),導致核仁周邊異染色質的(de)變化從(cong)而解除對Dux2C基因的抑制(zhi),最終促進(jin)ES細胞向2C-like細胞的命(ming)運轉變(bian)。

該研究是張(zhang)進(jin)課題組在(zai)20217月(yue)31Protein & Cell雜志(zhi)上發表的題為“LIN28 Coordinately Promotes Nucleolar/Ribosomal Functions and Represses the 2C-like Transcriptional Program in Pluripotent Stem Cells”的研究論(lun)文的進一(yi)步(bu)拓展。這兩項研究與張進課(ke)題組近期滿堂彩APP下載胚(pei)胎代謝(Nature Metabolism, 2021)和細胞周期對2CLC的影響(Stem Cell Report, 2021)的研(yan)究共同探索了傳統(tong)被(bei)認(ren)為(wei)具有(you)持家基因(housekeeping gene)功(gong)能的(de)核仁、代(dai)謝等,在早期胚胎發育(yu)和(he)細胞命運轉變中(zhong)的(de)特(te)異作用。


小鼠二細胞(2C)階(jie)段(duan)胚(pei)胎細胞是胚(pei)胎發育早期階(jie)段(duan)的全能性干細胞,可以產生胚(pei)胎和胚(pei)胎外(wai)組織(zhi)的所有細胞類型。在體外(wai)培養的小鼠胚(pei)胎干細胞(ES)中,存在一小群分子特征與2C期胚胎的(de)分子特征相似的(de)2C-like細胞。最近研究(jiu)表明,ES細(xi)胞(bao)向2C-like細胞的(de)轉(zhuan)變受到與表觀遺傳修飾相關的(de)多種因(yin)素(su)的(de)調控(kong)[1,2,3]。染(ran)色(se)(se)質高(gao)級結構是重要的(de)(de)表觀遺傳(chuan)因素,與基因表達(da)調控和細胞命(ming)運轉變(bian)密切相關。有趣(qu)的(de)(de)是,染(ran)色(se)(se)質高(gao)級結構似乎是2C基因調控和ES細胞(bao)向2C-like細胞轉變的重要因素。例如,2C基因(yin)激(ji)活受到先(xian)驅轉錄(lu)因(yin)子Dux的調節,該因子可增加染色(se)質可及性。最近的兩項研究報道(dao)稱(cheng),多能性因子DAPP2DAPP4以及母源性因(yin)子NELFA可(ke)以與Dux的啟動子區域結合(he)并直接反式激活其表達[4,5]。此外,染色質(zhi)結構重塑因子(zi)CAF-1的下調可以誘(you)導ES細胞向2C-like細(xi)胞轉變(bian)[6]。此(ci)前的研究表明定位于核仁的蛋白NCL,LIN28可以(yi)與TRIM28(KAP1)相互(hu)作用(yong)調控2C基因(yin)的表達[7,8]。然而(er),我們尚不完全了解核仁(ren)周邊(bian)異(yi)染色質以及其(qi)高級結構如何(he)調控ES細胞2C-like細胞轉(zhuan)變。


1. rRNA生物合成抑制劑CX-5461處理激活(huo)2C基因

首先,我們發現rRNA合成抑制劑(ji)CX-5461處理ES細胞引起(qi)2C基因的高表達(圖1)。rRNA生(sheng)物發生(sheng)在核仁相(xiang)分(fen)離(li)中發揮關鍵作用,我們進(jin)一步檢測了(le)CX-5461處理前后核仁相分離(li)的(de)變化情況,發現CX-5461處理影響了核仁正常相分離,關鍵蛋白NCLNPM1以及RPA194介導(dao)的相分離液滴流動性明(ming)顯增加,NCL和(he)NPM1在核仁DFC層中形成的(de)獨特環形結構消失(圖2)。

2. rRNA生物合成抑(yi)制劑CX-5461影響(xiang)了核仁正(zheng)常相分離

相(xiang)分離(li)能夠對染色質(zhi)表觀(guan)遺傳狀態進行調控,利用ChIP-seqATAC-seq測序實驗,本研(yan)究進一(yi)步檢查(cha)了CX-5461處理前后,核(he)仁(ren)周(zhou)邊(bian)異染色質表觀遺傳狀態(tai)的變化,發(fa)現CX-5461處理(li)后,活躍性的表觀修飾(shi)H3K4me3H3K27ac水平明顯增加,抑制性的表觀修飾H3K9me3H3K27me3水平明顯(xian)降低(圖3)。NCL/TRIM28復合物是ES細胞中維持核仁異染色質(zhi)區的(de)關鍵蛋(dan)白,NCL在核仁DFC層中形(xing)(xing)成的獨特環形(xing)(xing)結構消失,提示我們(men)CX-5461處理解除(chu)了NCL/TRIM28復合物對(dui)核仁異染色質區的結合,本研究進一步發現(xian),CX-5461處理后,NCL/TRIM28復合物對(dui)核仁異染(ran)色質區的(de)結合明顯(xian)降低。


圖(tu)3. rRNA生物合成抑(yi)制劑CX-5461干擾(rao)了核仁異染色質區的表觀遺傳狀態

通過結(jie)合公(gong)開發表ChIP-seqATAC-seqRNA-seq測序數據以及(ji)qPCRATAC-seq測序實驗,本研究進一步研究發現rRNA生物合(he)成抑(yi)制是(shi)通過(guo)關鍵(jian)轉錄因子DUX蛋(dan)白來激(ji)活2C基(ji)因(yin)(圖4)。


4.DUX調(diao)控CX-5461處理誘導的2C基因激活

核仁(ren)異染(ran)色(se)質區表觀遺傳(chuan)狀態的(de)變化提示(shi)我們(men)其染(ran)色(se)質高級結構發(fa)生了變化,本研究進一步利(li)用Hi-C測序技術(shu)解析(xi)了(le)CX-5461處理前后ES細胞染色質(zhi)高級(ji)結構的變化(hua)情況,發(fa)現CX-5461處理后(hou),ES細胞核仁異染色質區和MERVL區域的3D基因組高級結構與(yu)2C胚胎更為相似(圖5)。


5.CX-5461處(chu)理導致(zhi)MERVL區域的3D高級結(jie)構與2C胚胎更為相似(si)

在此基(ji)礎上,本研究進一步通過細胞遺傳(chuan)學(xue)手(shou)段干擾rRNA生物合成,發(fa)現干擾rRNA生物合成過程中的步驟可以重現了CX-5461處(chu)理后的ES細胞分子表型(圖6)。


6. 細胞(bao)遺傳學手段干擾rRNA生物合成重現了CX-5461處理后(hou)的(de)ES細(xi)胞分子表(biao)型

最后(hou),本研究利用(yong)CX-5461在小鼠早期胚(pei)胎上進行(xing)了實(shi)驗,重現了ES細胞中的分子表型,有趣的是,研究發(fa)現rRNA生物(wu)合(he)成是調控二細胞(bao)胚(pei)胎向四細胞(bao)胚(pei)胎轉變的(de)關(guan)鍵調控因素(圖7)。

7. rRNA生(sheng)物(wu)合成是調控二細胞(bao)胚胎向(xiang)四細胞(bao)胚胎轉變的關鍵因素(su),CX-5461處理的小鼠胚胎(tai)重現了ES細胞中的分(fen)子表型

綜上所述,本(ben)研究首次發現了rRNA 介導的核(he)仁(ren)相分(fen)離和核(he)仁(ren)周(zhou)邊異染色質的高級染色質結構能(neng)夠調(diao)控ES細胞向2C-like細胞的命(ming)運(yun)轉變;同時發現了(le)rRNA生(sheng)物發生(sheng)是調(diao)控小鼠二(er)細(xi)胞胚(pei)胎(tai)(tai)到(dao)四細(xi)胞胚(pei)胎(tai)(tai)轉變的關鍵分子(zi)開關。本研究提(ti)供(gong)了一(yi)種將ES細胞重編(bian)程回2C-like細胞的潛(qian)在新方法,并加深了我們對干細胞命運(yun)決定和早(zao)期發育中核(he)仁功能的理解。


該論文(wen)第一(yi)作者是(shi)滿堂彩已出站博士后(hou)余華,科(ke)研(yan)(yan)助理孫振、博士生譚田雨以及科(ke)研(yan)(yan)助理潘鴻儒為本(ben)文(wen)的共同(tong)第一(yi)作者。本課(ke)題的研究得(de)(de)到了國(guo)家重點研發計劃(hua)、國(guo)家自(zi)然科學(xue)(xue)基金(jin)(jin)面上項目、國(guo)家自(zi)然科學(xue)(xue)基金(jin)(jin)青年基金(jin)(jin)項目、浙江省杰(jie)出青年基金(jin)(jin)項目以及浙江省自(zi)然科學(xue)(xue)基金(jin)(jin)項目的支持,同(tong)時還得(de)(de)到了同(tong)濟大(da)學(xue)(xue)高紹榮課(ke)題組,北(bei)京(jing)大(da)學(xue)(xue)李程、季雄課(ke)題組,滿堂(tang)彩(cai)陳銘、錢鵬旭、許(xu)正(zheng)平、盛靜浩、沈力課(ke)題組,哈(ha)佛(fo)醫(yi)滿堂(tang)彩(cai)官網George Daley課(ke)題(ti)組等國內外單位與課(ke)題(ti)組的支持。

張進課題組(zu)長期從事干細胞命運調控方面的研(yan)究,實驗室成立以來(lai)作(zuo)為通訊作(zuo)者在(zai)Nature Metabolism, Cell Metabolism, Cell Stem Cell, Nature Communication, Protein & Cell, Journal of Hematology & Oncology, Genome Biology, Molecular Therapy, Stem Cell Report等雜志發表文章十(shi)余篇(pian)。實(shi)驗室目前(qian)的研究方向包括早期(qi)胚胎(tai)發育和干細(xi)胞命運轉變的調控機制,以及iPSC分化(hua)免疫(yi)細(xi)胞的(de)轉化(hua)研究。詳細(xi)信息請見(jian)實驗(yan)室網(wang)站(zhan)http://person.willycon.com/zhangstemcell。實驗室在以上(shang)方向長期招(zhao)聘博士后(hou)和(he)特聘研(yan)究員/副研究員。如(ru)有意向(xiang)加(jia)盟請聯系zhgene@163.com


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