基因表達(dá)調(diào)控是決定細(xì)胞命運(yùn)的重要因素，通過改變基因的表達(dá)模式即可實(shí)現(xiàn)對細(xì)胞命運(yùn)的精準(zhǔn)調(diào)控。比如運(yùn)用Yamanaka四個轉(zhuǎn)錄因子（Oct4, Sox2, Klf4, c-Myc）在體外就可將體細(xì)胞成功重編程為誘導(dǎo)多能干細(xì)胞。6月10日，中國科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院/廣州再生醫(yī)學(xué)與健康廣東省實(shí)驗(yàn)室姚紅杰課題組聯(lián)合清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院孫前文課題組在國際學(xué)術(shù)期刊Science Advances在線發(fā)表了題為R-loops Coordinate with SOX2 in Regulating Reprogramming to Pluripotency 的研究論文，該研究成果揭示了SOX2/DDX5與R-loop協(xié)同調(diào)控體細(xì)胞重編程的新機(jī)制。

在基因轉(zhuǎn)錄過程中，會形成一種由單鏈DNA和DNA:RNA雜合鏈組成的三鏈核酸結(jié)構(gòu)，稱為R-loop。R-loop廣泛存在于各個物種中，最早被認(rèn)為是轉(zhuǎn)錄的副產(chǎn)物，但近年來發(fā)現(xiàn)R-loop在很多生物學(xué)過程中發(fā)揮著重要的作用。已有研究報道R-loop相關(guān)蛋白很多都是RNA結(jié)合蛋白（RBP），然而RBP如何協(xié)同R-loop在細(xì)胞命運(yùn)決定中發(fā)揮作用尚不清楚。早在2017年，姚紅杰課題組在國際學(xué)術(shù)期刊Cell Stem Cell已經(jīng)揭示了RBP DDX5通過調(diào)節(jié)miR-125b代謝從而負(fù)向調(diào)控PRC1復(fù)合物的非經(jīng)典亞基RING1和YY1結(jié)合蛋白（RYBP）的雙重功能，進(jìn)而調(diào)控體細(xì)胞重編程為誘導(dǎo)多能干細(xì)胞。但是DDX5作為RNA解旋酶在體細(xì)胞重編程中的功能仍然未知。

研究團(tuán)隊(duì)運(yùn)用ssDRIP-seq技術(shù)，首先繪制了體細(xì)胞重編程過程中R-loop的動態(tài)變化圖譜，發(fā)現(xiàn)R-loop并不是簡單地作為轉(zhuǎn)錄的副產(chǎn)物出現(xiàn)，而是在轉(zhuǎn)錄發(fā)生變化之前就開始變化。根據(jù)R-loop的分布特點(diǎn)，結(jié)合多組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)R-loop變化與染色質(zhì)開放程度及增強(qiáng)子活性存在很高的正相關(guān)性，并與體細(xì)胞重編程過程密切相關(guān)。研究人員發(fā)現(xiàn)敲降R-loop的重要調(diào)控蛋白RNaseH1的表達(dá)可抑制體細(xì)胞重編程的進(jìn)程。為了研究R-loop與體細(xì)胞重編程的關(guān)系，研究人員構(gòu)建了RNaseH1突變體。體外實(shí)驗(yàn)表明RNaseH1酶活位點(diǎn)單個氨基酸的點(diǎn)突變體（RNaseH1^D209N）可以顯著抑制野生型RNaseH1對R-loop的消解作用。重編程實(shí)驗(yàn)表明RNaseH1^D209N可以改變R-loop水平進(jìn)而影響體細(xì)胞重編程的進(jìn)程。

因子篩選實(shí)驗(yàn)表明Yamanaka四因子中只有Sox2可以回復(fù)因R-loop改變而被抑制的重編程。與對照組相比，過表達(dá)Sox2處理組中重編程細(xì)胞的R-loop水平更高。結(jié)合組學(xué)數(shù)據(jù)及生物信息分析發(fā)現(xiàn)Sox2結(jié)合位點(diǎn)附近的R-loop水平較高，而且在重編程過程中增加Sox2的表達(dá)量可以增加相關(guān)位點(diǎn)R-loop水平。結(jié)合RNA-seq及ssDRIP-seq數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)Sox2促進(jìn)多能性基因相關(guān)位點(diǎn)的R-loop富集。進(jìn)一步生物信息分析發(fā)現(xiàn)Sox2調(diào)控的R-loop更傾向位于基因的啟動子區(qū)域。

研究發(fā)現(xiàn)雖然Sox2可以與R-loop形成復(fù)合物，但EMSA實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明Sox2并不具有直接結(jié)合R-loop的能力，而是間接參與調(diào)控R-loop水平的變化。為了揭示Sox2與R-loop的調(diào)控關(guān)系，研究人員通過質(zhì)譜數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)Sox2與RNA解旋酶DDX5存在相互作用。體外R-loop消解實(shí)驗(yàn)揭示DDX5解旋酶可以直接消解R-loop，而Sox2與DDX5相互作用并抑制DDX5對R-loop的消解作用。研究還發(fā)現(xiàn)Sox2通過其DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域（HMG區(qū)域）抑制DDX5對R-loop的消解作用。

該研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)Sox2這一新功能并不依賴于Sox2的轉(zhuǎn)錄因子活性。體細(xì)胞重編程實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Sox2可回復(fù)因DDX5而被抑制的重編程進(jìn)程以及上調(diào)DDX5相關(guān)調(diào)控位點(diǎn)的R-loop水平，進(jìn)而促進(jìn)體細(xì)胞重編程為多能干細(xì)胞。這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)了Sox2/DDX5協(xié)同調(diào)控R-loop參與體細(xì)胞重編程過程，闡明了R-loop對細(xì)胞命運(yùn)調(diào)控的重要作用，并揭示了Sox2這一傳統(tǒng)轉(zhuǎn)錄因子的新功能。

姚紅杰與孫前文為論文的共同通訊作者。姚紅杰課題組博士生李堯益、宋亞威和孫前文課題組博士后徐煒、博士生李沁為論文共同第一作者。該課題的實(shí)施得到中科院生物物理研究所研究員薛愿超和德國馬普協(xié)會分子醫(yī)學(xué)研究所研究員Hans Scholer的幫助。該工作得到來自國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃干細(xì)胞專項(xiàng)、國家杰出青年科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、廣州再生醫(yī)學(xué)與健康廣東省實(shí)驗(yàn)室、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心等的支持。

論文鏈接

圖1. R-loop水平變化影響體細(xì)胞重編程。

圖2. Sox2/DDX5協(xié)同調(diào)控R-loop。

圖3. 本研究的模式圖。

來源： 廣州生物醫(yī)藥與健康研究院