北京時間4月6日，國際學(xué)術(shù)期刊《細胞》（Cell）在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子細胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心（生物化學(xué)與細胞生物學(xué)研究所）陳玲玲研究組關(guān)于長非編碼RNA的最新研究成果“Distinct processing of lncRNAs contributes to non-conserved functions in stem cells”。該研究首次發(fā)現(xiàn)長非編碼RNA在不同物種來源干細胞中的特異性加工是其發(fā)生適應(yīng)性功能變化的重要機制，為深入理解長非編碼RNA的功能及進化提供了新思路。

人類基因組中超過98%的區(qū)域都是非編碼區(qū)域。長非編碼RNA是一類廣泛轉(zhuǎn)錄但不翻譯產(chǎn)生功能性蛋白質(zhì)的核糖核酸大分子。越來越多的研究表明它們在基因表達調(diào)控過程中發(fā)揮著重要功能 (Nat Cell Biol, 2019:10.1038/s41556-019-0311-8)。

陳玲玲研究組長期從事長非編碼RNA生物學(xué)研究。2016年作者曾提出長非編碼RNA功能與其加工和定位息息相關(guān)，而解析它們的加工代謝等生物學(xué)過程有助于深入認(rèn)識其功能 (Trends Biochem Sci, 2016:10.1016/j.tibs.2016.07.003; Trends Talk with Ling-Ling Chen: 10.1016/j.tibs.2016.07.006)。近年來通過研究不同類型長非編碼RNA分子家族的加工、代謝、定位與功能的偶聯(lián)，陳玲玲組發(fā)現(xiàn)了一系列長非編碼RNA的新功能 (http://www.chenlab-ncrna.com/publications)，對認(rèn)識它們的生物學(xué)意義具有重要推動作用(Cold Spring Harb Symp Quant Biol, 2020: 10.1101/sqb.2019.84.039495；A Conversation with Ling-Ling Chen: 10.1101/sqb.2019.84.039032)。

與信使RNA在物種進化過程中的序列和功能都高度保守不同，長非編碼RNA在不同物種之間缺乏嚴(yán)格的序列保守性，但在序列、RNA結(jié)構(gòu)、基因組的位置和作用機制等多個層次上體現(xiàn)保守性。其中，不同物種之間序列和基因組位置保守的長非編碼RNA的加工是否保守，以及其相應(yīng)的生物學(xué)功能是否保守是一個重要問題。

這項最新研究通過分離人、鼠胚胎干細胞細胞核和細胞質(zhì)來源的RNA結(jié)合高通量測序分析，首次發(fā)現(xiàn)人、鼠胚胎干細胞中長非編碼RNA的加工及亞細胞定位存在顯著差異。序列及基因組位置保守的長非編碼RNA在人胚胎干細胞中更多地定位在細胞質(zhì)內(nèi)，而在鼠胚胎干細胞中則更多地滯留在細胞核內(nèi)。值得一提的是，多個定位在人胚胎干細胞細胞質(zhì)中的長非編碼RNA參與維持人干細胞自我更新，而相應(yīng)的基因組位置保守的長非編碼RNA則更趨向于定位在鼠胚胎干細胞核內(nèi)，對干細胞維持沒有明顯作用。這些長非編碼RNA在不同物種來源的干細胞內(nèi)的亞細胞定位的不同，提示它們在人、鼠的胚胎干細胞中可能具有不同的加工方式和生物學(xué)功能。

研究詳細解析了其中一個新型的長非編碼RNA——hFAST維持人胚胎干細胞自我更新的分子機制。FAST是基因組位置保守的長非編碼RNA，在胚胎干細胞中特異高表達。在人、猴來源的胚胎干細胞FAST定位在細胞質(zhì)內(nèi)，維持胚胎干細胞的自我更新。機制研究表明，在人胚胎干細胞中，細胞質(zhì)定位的hFAST結(jié)合β-TrCP蛋白，使β-TrCP不能降解重要信號通路WNT中關(guān)鍵蛋白β-catenin，從而維持WNT信號通路持續(xù)激活和干細胞的自我更新。在鼠胚胎干細胞中，mFast定位在細胞核內(nèi)，不能結(jié)合β-TrCP，也不影響WNT信號通路和干細胞多能性。

為了進一步探究長非編碼RNA在不同物種間加工定位差異的分子機制，研究人員結(jié)合生物信息學(xué)分析預(yù)測和實驗驗證篩選到了調(diào)控它們不同定位的關(guān)鍵因子PPIE。在鼠胚胎干細胞中，PPIE蛋白高表達并抑制長非編碼RNA (包括mFast) 的剪接加工而使其滯留在細胞核內(nèi)；在人胚胎干細胞中，PPIE蛋白低表達，使得更多的長非編碼RNA被剪接加工并得以運輸?shù)郊毎|(zhì)內(nèi)發(fā)揮功能；而在猴胚胎干細胞中PPIE蛋白的表達、FAST以及其它長非編碼RNA在細胞內(nèi)的定位和功能則更趨向于人胚胎干細胞。

該工作首次發(fā)現(xiàn)非保守的RNA加工和定位在長非編碼RNA發(fā)揮功能過程中具有重要作用，從而提示長非編碼RNA的姿態(tài)萬千可能是物種特異性的調(diào)控和適應(yīng)的一個重要機理。

分子細胞卓越中心陳玲玲研究組博士研究生郭純潔和中國科學(xué)院-德國馬普計算生物學(xué)伙伴研究所楊力研究組博士研究生馬旭凱為該論文的共同第一作者，研究員陳玲玲為該論文通訊作者。研究員楊力、美國康涅狄格大學(xué)教授Gordon G.Carmichael、北京大學(xué)教授汪陽明及其團隊成員參與了該項研究。該項工作也得到分子細胞卓越中心研究員李勁松、景乃禾，分子生物學(xué)技術(shù)平臺和細胞分析技術(shù)平臺的大力支持，并得到來自中科院、科技部、基金委和HHMI國際研究員項目的經(jīng)費支持。

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　　圖示：長非編碼RNA非保守的加工和定位決定其在不同物種來源干細胞中的不同功能。該發(fā)現(xiàn)提示長非編碼RNA的姿態(tài)萬千可能是物種特異性的調(diào)控和適應(yīng)的一個重要機理。

來源： 分子細胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心/生物化學(xué)與細胞生物學(xué)研究所