​Nature Aging | 韩敬东组揭示衰老相关lncRNAs进化保守和参与NFκB信号通路

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衰老是一个机体不可避免的过程，表现为机体中组织和器官的逐步衰竭和增加死亡和疾病的风险。在过去的200年的发展，由于生活水平的提高，医疗资源的提升，大大降低了寿命早期死亡率，导致人类的寿命期望延长了将近一倍。然而，健康寿命（healthspan）仅仅增加了4.6年。更长的寿命意味着承担更多慢性病的风险，例如心血管疾病和神经退行性疾病。同时衰老破坏了感知，运动和认知功能从而影响了晚年的生活质量【1】。转录组的改变作为衰老过程中重要的分子特征，可以作为各个器官功能衰退的分子标志物【2】。通过高通量测序技术，研究人员揭示了在不同组织中衰老相关的基因表达谱【3-6】，揭示了在大脑、肝脏等组织衰老过程中转录组中蛋白编码基因表达的变化主要为炎症反应相关，并强调了慢性炎症作为衰老的标志物7。

关于转录组测序中衰老相关非编码RNA的功能研究却非常少。然而目前的在Gencode数据库中注释的非编码RNA数量多于蛋白编码基因，因此对研究非编码RNA在衰老过程表达发生变化的原因以及其参与调控衰老过程显得尤为重要。

2021年5月6日，中国科学院上海营养与健康研究院韩敬东（现为北京大学定量生物学中心PI）研究组在Nature Aging期刊上在线发表了的研究成果Aging-associated lncRNAs are evolutionarily conserved and participate in NFκB signaling。该研究首先通过生物信息学方法分析11个物种衰老相关转录组数据发现衰老相关lncRNAs具有更强的进化保守性并且富集在功能相关的数据库中。并且转录因子富集分析和功能预测分析发现衰老相关lncRNAs参与NFκB信号通路，并通过CRISPR功能筛选发现13个进化保守衰老相关lncRNAs可以调控NFκB信号通路。该研究为提高健康衰老质量提供了重要的理论基础和研究新思路。

韩敬东研究组长期致力于衰老相关机制研究，在该项研究中，他们通过生物大数据分析发现衰老过程中lncRNAs的特性和通过CRISPR功能筛选出能调控NFκB信号通路的衰老相关lncRNAs。基于课题组前期衰老人群中脑和血液相关转录组数据（Cheng et al. PNAS. 2018 和Xia et al. Nature Metabolism. 2021）【3,8】和NCBI数据库中10个物种衰老相关转录组数据。将11个物种的基因组同源比对和转录本相似性进行两两组合分析，可以得到这11个物种间的蛋白编码基因和非编码RNA的进化保守性状态（图 1）。按照进化年龄构建11个物种的进化树，并把物种特异或者保守的数目标注在进化树中。从图中可以得知大部分lncRNA都是物种特异的。识别了9032 (26%)个人的lncRNA保守到其它物种中。在衰老相关蛋白编码基因中，可以看到其显著保守，并随进化年龄增加其富集程度。在血液衰老相关的lncRNA中，其保守程度也随着进化年龄增加。对于脑部衰老相关的lncRNA中其保守程度增加到脊椎动物中。同样对于功能相关的lncRNA，也随着进化年龄而增加富集程度。为了研究衰老相关的lncRNA是否受到更复杂的转录调控，作者扫描了转录因子在基因的启动子区域，并计算其富集分数。从结果中得知，衰老相关的蛋白编码基因和lncRNA的转录因子的富集程度比非衰老相关的基因强。并发现40个转录因子的motif富集在9个脊椎动物衰老相关的lncRNAs中，其中包含RELA，RUNX1和BCL6。

图1. 11个物种之间两两比对识别同源基因的流程图。

为了推断衰老相关的lncRNA的潜在功能，使用guilt-by-association的方法基于与蛋白基因表达的相关性预测lncRNA的功能。观察结果得知，脑衰老上调的lncRNA与免疫功能相关，如NFκB信号通路和细胞因子受体。脑衰老下调的lncRNA与神经系统功能相关，如神经系统发育和突触延伸。在血液衰老相关的lncRNA中观察得知，其与NFκB信号通路和线粒体功能密切相关。由于预测的功能与蛋白编码基因的功能高度相似。猜测衰老相关的lncRNA与蛋白编码基因被相似信号通路调控。因此对脑衰老和血液衰老的lncRNA做转录因子的motif富集分析，发现其上调的lncRNA均富集了RELA的motif。通过REMAP ChIP-seq数据库对多个含有NFκB信号通路的物种的衰老相关lncRNA进行富集分析同样发现NFKB1和RELA的显著富集。为了研究衰老相关lncRNA是否具有调节NFκB信号通路，在NFκB报告细胞中进行CRISPR筛选调控NFκB的lncRNA。获得显著调控GFP低（p<0.05）的64个蛋白编码基因和72个lncRNA。这72个lncRNA的确富集了衰老相关的lncRNA，并具有更强的进化保守性，其中13个lncRNA不仅有衰老相关基因表达变化、进化保守并在启动子区域具有RELA 结合motif，被命名为NFκB Modulating Age Related LncRNAs (NFKBMARLs)。其中NFKBMARL-1在炎症和细胞衰老过程中都显著上调。作者进一步通过一系列RNA分子生物学及组学实验研究发现NFKBMARL-1直接结合NFκB顺式以及临近的NFκB下游基因NFKBIZ，参与RELA的相分离过程，进而促进与放大NFκB信号；抑制NFKBMARL-1则能够抑制NFκB的信号通路并遏制衰老相关的炎症因子的表达（图 2）。

图2. NFKBMARL-1调控NFKBIZ的模式图。

综上，该研究首次系统分析并发现衰老相关的lncRNA具有功能与进化的保守性。特别惊人的是，衰老过程上调的lncRNA富集了RELA转录因子，通过NFκB信号通路的CRISPR筛选确认了13个衰老相关lncRNA对NFκB信号通路的调节功能，通过分子生物学实验鉴定了其中一个， NFKBMARL-1对NFκB信号通路调节的分子机制及其在细胞衰老中的作用。

北京大学、中国科学院上海营养与健康研究所韩敬东研究组博士生蔡东宏为该论文第一作者，韩敬东研究员为该论文通讯作者。

温馨提示：

韩敬课题组诚招博士后，2 名，其中干实验（计算）和湿实验（生物学实验）方向各 1 名，研究方向为人类及模式动物分子网络研究。实验室详情参见：http://cqb.pku.edu.cn/hanlab/。

韩敬东课题组成员

原文链接

https://dx.doi.org/10.1038/s43587-021-00056-0

制版人：十一

参考文献

1. Partridge, L., Deelen, J. & Slagboom, P.E. Facing up to the global challenges of ageing. Nature 561, 45-56 (2018).

2. Benayoun, B.A. et al. Remodeling of epigenome and transcriptome landscapes with aging in mice reveals widespread induction of inflammatory responses. Genome Research 29, 697-709 (2019).

3. Cheng, H. et al. Repression of human and mouse brain inflammaging transcriptome by broad gene-body histone hyperacetylation. Proc Natl Acad Sci U S A 115, 7611-7616 (2018).

4. Schaum, N. et al. Ageing hallmarks exhibit organ-specific temporal signatures. Nature 583, 596-602 (2020).

5. Tabula Muris, C. A single-cell transcriptomic atlas characterizes ageing tissues in the mouse. Nature 583, 590-595 (2020).

6. Ahadi, S. et al. Personal aging markers and ageotypes revealed by deep longitudinal profiling. Nat Med 26, 83-90 (2020).

7. Ori, A. et al. Integrated Transcriptome and Proteome Analyses Reveal Organ-Specific Proteome Deterioration in Old Rats. Cell Syst 1, 224-37 (2015).

8. Xia, X. et al. Three-dimensional facial-image analysis to predict heterogeneity of the human ageing rate and the impact of lifestyle. Nat Metab 2, 946-957 (2020).

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