清华大学课题组揭示L1转录在基因调控中的重要作用
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2024年6月7日,刘念教授领导的清华大学生命学院课题组在《自然遗传》杂志上在线发表了题为“LINE-1转录激活遥远基因表达”的研究论文。
20世纪50年代,Barbara McClintocks在玉米中首次发现了一类能够在基因组中移动、改变自身位置的DNA序列——转座子,并于1983年荣获诺贝尔生理学或医学奖。人类基因组中约一半的序列由转座子组成,其中,LINE-1(长散布核元件-1,L1)占据着接近17%的基因组序列,是目前唯一在人体内活跃且具有自主逆转录转座能力的转座子。虽然L1在体细胞中通常受到抑制,但在人类和小鼠早期胚胎发育的合子基因组激活(zygotic genome activation,ZGA)过程中表达却瞬间高涨。这不仅表明L1的表达受到极其严格和精确的调控,而且提示L1的表达在关键的生理过程中扮演着重要角色。然而,有关L1表达是如何被调控的,以及L1在基因调控和ZGA中的功能等方面我们知之甚少。
2024年6月7日,刘念课题组在《自然遗传》杂志上在线发表了题为“LINE-1反转录转座子激活远程基因表达”研究论文。该研究为首次通过全基因组筛选揭示了L1表达的调控机制,系统性地确认了L1在激活远程基因表达中的广泛作用,并详细阐述了L1转录如何促进早期胚胎中ZGA过程的进行,为深入了解L1在发育和疾病中的生理功能提供了新的视角。
刘念课题组专注于逆转录转座子的调控和功能研究。他们先前的研究中,成功识别了影响L1转座的调控因子(Liu等,自然2018),并指出L1可能充当拓扑结构领域边界(Hong等,分子细胞2024)。进一步实验表明,多个影响L1表达的调控因子与增强子的调控和功能相关,如KMT2D、CTBP1、METTL3、METTL14等,这暗示L1可能具有增强子活性。通过分析全基因组自转录活性调控区测序(STARR-seq)数据,他们发现L1的5’非翻译区(5’ UTR)具有增强子属性,有能力在不受其位置或方向限制的情况下激活基因表达。在针对L1 5’ UTR的CRISPRa/i系统靶向实验中,作者观察到激活L1后,L1直接与遥远的靶基因发生物理接触,同时L1与基因之间的互动增强;在沉黙L1时,L1与基因的接触减弱。
为了研究L1在ZGA过程中的功能,研究者首先比较了人类和恒河猴的基因组中L1插入和早期胚胎发育过程中基因表达的差异,发现L1的家族特异性插入可能有助于提升ZGA基因的表达。进一步分析显示,在小鼠中L1的5’ UTR区域富含增强子信号。因此,研究者利用CRISPRa/i和L1 ASO技术在小鼠胚胎干细胞中操纵L1的表达,结果显示L1具有选择性地调控二细胞阶段特异基因的表达。单细胞RNA测序和Hi-C数据表明,在小鼠胚胎发育的早期二细胞阶段,L1开始表达,并直接与次级ZGA基因互动,促进其表达。研究者注射L1 ASO到小鼠合子期胚胎中发现,L1的抑制会影响合子基因组的激活,并导致胚胎在二至四细胞阶段发育停滞。
总的来说,这项研究提供了多功能的L1表达调控因子,并发现验证了L1 5' UTR在早期胚胎发育阶段作为增强子,通过转录依赖的方式直接与ZGA基因相互作用并激活其表达。由于L1的活跃转座导致其在人类基因组中持续扩增,因此可能不断增加新的顺式DNA调控元件,从而影响多种人类疾病和发育过程。这项研究为研究L1的调控网络提供了丰富的资源,揭示了L1表达调控的复杂性和多样性;解释了为何L1在胚胎发育过程中被激活,并为我们提供了新的视角来理解L1在基因组中的功能。
本文的通讯作者是清华大学生命科学学院和清华-北大生命科学联合中心的刘念副教授。文章的第一作者包括清华大学生命科学学院2019级博士生李秀峰,博士后别路垚,CLS项目2016级博士生王洋(已毕业),博士后洪雅强。研究受到了清华大学生命科学学院的颉伟教授、孟安明教授、郗乔然副教授,以及清华大学医学院的沈晓骅教授,清华大学生命学院实验动物中心的常在和张静的大力协助。支持来自清华-北大生命科学联合中心、北京生物结构前沿研究中心、国家重点研发计划、国家自然科学基金、清华大学自主科研计划,以及本源公益基金等。
2024-09-21
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