Genome Biol | 蒋卫课题组揭示基因荒漠区lncRNA HIDEN调控干细胞内胚层分化的分子机制

长非编码RNA （long noncoding RNA， lncRNA ） 已被报道参与多种生物学过程，包括胚胎发育与干细胞分化，但目前研究大部分关注于蛋白编码基因 （Protein coding gene, PCG） 附近的lncRNA，而远离PCG的基因荒漠区lncRNA的功能报道较少。尤其是这类lncRNA是否以及如何在人类早期发育发挥作用尚不清楚。

2023年4月24日，来自武汉大学的蒋卫教授课题组在Genome Biology上发表题为 A desert lncRNA HIDEN regulates human endoderm differentiation via interacting with IMP1 and stabilizing FZD5 mRNA 的研究论文。该研究首先 根据lncRNA与编码基因在基因组上的位置关系将lncRNA分为三类：与编码基因有位置重叠的overlapped lncRNA、位于编码基因近端的proximal lncRNA，以及位于基因荒漠区的desert lncRNA ；然后，利用人多能干细胞分化体系，通过多种组学数据探索不同类型lncRNA的表达量、组织和细胞表达特异性、亚细胞定位等特点，并 探讨了一个内胚层特异表达的位于基因荒漠区的lncRNA的生物学功能与作用机制。

该研究通过多个转录组数据分析发现，相比于编码基因临近的lncRNA，荒漠区lncRNA具有表达量更高、更倾向定位于细胞质、更具有细胞/组织特异性的特点，表明荒漠区lncRNA可能具有调控细胞谱系特化的生物学功能。

图1：三类lncRNA的表达特征。

基于该实验室的人多能干细胞内胚层分化的转录组数据，本研究鉴定了46个内胚层分化过程差异表达的荒漠区lncRNA，并针对其中一个HIDEN （human IMP1-associated "desert" definitive endoderm lncRNA） 进行了详细的功能和机制探讨。作者利用shRNA以及CRISPR/Cas9删除启动子的形式以干扰HIDEN的表达，建立了功能缺失的人多能干细胞系。这些细胞系维持正常的多能性基因表达和自我更新能力，但在自发分化的拟胚体体系以及定向的内胚层分化过程中，表现出明显的内胚层谱系分化抑制现象。进一步研究发现，HIDEN主要定位于细胞质中，可以与RNA结合蛋白IMP1相互作用；而IMP1敲低或敲除也显著抑制了内胚层分化。分子机制研究显示，HIDEN缺失影响IMP1蛋白与FZD5 mRNA的结合，导致FZD5 mRNA稳定性降低；而FZD5是WNT信号通路受体，HIDEN或IMP1缺失导致内胚层分化过程中WNT信号通路活性降低，而在分化中使用WNT通路激活剂可以回补HIDEN缺失导致的内胚层分化受阻的表型。同时，FZD5的敲低或敲除也显著抑制了人多能干细胞向内胚层分化。这些结果表明位于基因荒漠区的lncRNA HIDEN通过促进IMP1和FZD5 mRNA的相互作用，稳定FZD5 mRNA并维持WNT信号以促进人多能干细胞内胚层分化。

图2：HIDEN调控内胚层分化的模式图。

综上，该研究关注了一类不被重视的位于基因荒漠区的lncRNA，并探索了其中一个在内胚层高表达的lncRNA HIDEN的生物学功能和分子机制。HIDEN通过介导IMP1蛋白对mRNA的转录后调控，进而参与人多能干细胞内胚层分化的细胞命运决定。这些结果，结合该课题组之前的关于基因临近区lncRNA DEANR1 （Cell Reports 11(1), 137-148） 以及GATA6-AS1 （Stem Cell Reports 15(3):694-705） 的研究报道，共同揭示了lncRNA对于人类早期胚胎发育谱系特化的重要功能。

卢佩、杨介、李茂为本论文的共同第一作者，蒋卫教授为论文的通讯作者。

蒋卫课题组长期从事干细胞命运决定的分子调控机制和转化研究。近年来主要利用人多能干细胞维持和分化体系，聚焦于早期胚层分化的表观和代谢调控机制，主要研究成果包括：阐明长非编码RNA和重复序列在人多能性调控以及胚层分化中的作用及机制（Genome Biology 2023；Nucleic Acids Research 2022；Stem Cell Reports 2020）；揭示表观遗传调控早期胚层分化的机制（Nature Communications 2022；Development 2023；Cell Death Disease 2021）；解析细胞代谢调控细胞干性和分化的机制（Redox Biology 2022；Stem Cell Reports 2021；Cell Death Discovery 2022）。

原文链接：

https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-023-02925-w

制版人：十一

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