专家点评JEM | 程辉/程涛/石磊/刘静合作发现LncEry全新转录本并揭示其调控红系分化及成熟的机制

点评 | 冀鹏（美国西北大学）

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LncRNA 作为重要的调控因子在基因表达和细胞命运选择方面发挥重要功能，其在造血干细胞的干性维持以及各系分化等方面的功能也逐渐被发现 【1】 。目前，关于 lncRNA在红系分化中的重要作用逐渐受到关注。因此，发现更多的调控红系分化相关的lncRNA将有助于进一步完善造血调控网络，为寻找治疗红系分化异常相关疾病的新靶点奠定基础。

2022年3月22日 ，中国医学科学院血液病医院 （中国医学科学院血液学研究所） 程辉研究员、程涛教授团队与天津医科大学石磊教授和中南大学刘静教授合作在Journal of Experimental Medicine杂志发表了题为 WDR82-binding long non-coding RNA lncEry controls mouse erythroid differentiation and maturation 的研究论文。该研究 发现了在小鼠红系谱系细胞中高表达的LncRNA （命名为lncEry） ，找到一条全新的转录本，并揭示其调控红系分化及成熟的分子机制。

为了鉴定在造血分化过程中发挥重要功能的lncRNA，作者对课题组现有造血谱系各群细胞深度RNA-seq测序数据【2】进行重新分析，发现在巨核红系祖细胞 （MEP） 中特异性高表达的lncRNA （GM15915） ，其在红系分化全路径均高表达，因此将其命名为lncEry。作者通过5’/3’ RACE实验鉴定到lncEry新的转录本，该转录本在MEP中表达显著高于其他转录本，且定位于细胞核。因此，作者对lncEry在红系分化中的功能进行了深入研究。

作者首先利用shRNA对lncEry进行敲降，并通过体外集落形成实验及体内移植实验初步证实了lncEry在红系分化过程中的重要作用。接着作者构建了造血特异条件性敲除小鼠模型，发现lncEry敲除后小鼠骨髓中红系祖细胞及成熟红细胞比例显著降低，而造血干细胞功能没有受到影响。为了进一步探究lncEry在红系分化过程中的作用，作者对lncEry敲除的MEP细胞进行了RNA-seq和ATAC-seq。通过联合分析，发现在表达降低的基因中高度富集红系分化相关通路。由于lncEry定位于细胞核内，并且定位于细胞核内的lncRNA具有参与转录调控的潜在功能，因此作者利用MEL细胞系进行了ChIRP-seq实验【3】，对lncEry在基因组上的结合情况进行分析。结果发现lncEry主要结合在启动子区域，具有参与转录调控的潜在功能。随后作者在MEP细胞中进行H3K4me3和H3K27ac的Cut&Tag-seq实验 【4】 ，并联合RNA-seq、ATAC-seq及ChIRP-seq的结果进行分析，发现lncEry在MEP细胞中能够调控红系分化的关键因子Klf1的转录。在红系分化成熟阶段lncEry的敲除不影响Klf1的表达，于是作者利用MEL细胞系对红系成熟阶段进行研究，发现lncEry能够参与α-和β-globin的转录调控，这也解释了lncEry敲除抑制了红系成熟的原因。

为了进一步揭示分子机制，作者分别在MEP和MEL细胞中进行了RNA-pulldown实验，质谱分析发现不同细胞中lncEry具有相同的结合蛋白WDR82。通过小分子相互作用、RNAscope等实验证实了二者的相互作用。作者利用WDR82的Cut&Tag-seq揭示了在MEP细胞中lncEry对WDR82在Klf1顺式调控区域的结合发挥重要作用。通过Luciferase实验证实lncEry/WDR82调控Klf1的转录。另外，在MEL细胞中通过ChIP-seq、qChIP及一系列Luciferase等实验同样证实lncEry/WDR82能够结合在globin基因的转录起始区域以及远端调控区域 （LCR） ，从而对globin基因起到转录调控作用。

总之，此研究发现了lncEry新的转录本，并揭示其在红系发育的不同阶段与WDR82结合参与Klf1及globin基因的转录调控，从而对红系分化及成熟起到关键调控作用。此研究丰富了lncRNA在调控造血分化中的认知，完善了lncRNA调控红系分化网络，为进一步研究红系分化异常相关疾病提供了新的思路。

中国医学科学院血液病医院 （中国医学科学院血液学研究所） 程辉研究员、程涛教授，天津医科大学石磊教授以及中南大学刘静教授为共同通讯作者。中国医学科学院血液病医院 （中国医学科学院血液学研究所） 助理研究员杨尚达、博士生孙国欢、副研究员武鹏以及天津医科大学博士生陈聪为并列第一作者。

专家点评

冀鹏 （美国西北大学）

红系发育是指多潜能造血干细胞在造血微环境中分化为成熟红细胞的过程，其对维持机体正常功能至关重要，一旦发生紊乱将导致多种血液疾病。解析红系发育的机制，提高体外红细胞再生策略，是世界科技前沿的热点和难点，具有重要的科学意义和临床实际需求。近年来红系发育调控的研究对象从重要蛋白分子到miRNA再到lncRNA不断拓宽，极大程度丰富了红系发育调控分子机理 【5-7】 。今日，程辉/程涛/石磊/刘静团队合作通过分析不同造血谱系细胞RNA-seq数据，发现了在红系分化路径中显著高表达的lncRNA，lncEry。在功能上该研究团队发现lncEry敲除小鼠骨髓细胞中红系祖细胞及部分成熟细胞比例显著降低，lncEry参与红系发育阶段中发挥重要作用。机制上研究团队阐明lncEry在红系发育的不同阶段结合WDR82 转录调控红系关键转录因子Klf1及globin基因，从而对红系分化及成熟起到关键调控作用。该工作首次全面系统地阐明了造血分化新的lncRNA的表达特点和功能机制，丰富了科研领域对lncRNA在调控造血调控特别是红细胞发育调控中的认识。同时，该研究也引申出值得进一步深入探讨的有趣科学问题：lncEry在红系紊乱紊乱相关疾病中情况如何？是否可能成为一个疾病诊疗的新靶点？还有哪些重要的lncRNA参与人类红系发育？这些问题的解答将丰富我们对红系发育调控机制和疾病机理的认识，促进基础到临床的转化应用。

原文链接：

https://rupress.org/jem/article-abstract/219/4/e20211688/213079/WDR82-binding-long-noncoding-RNA-lncEry-controls?redirectedFrom=fulltext

制版人：十一

参考文献

1. Li, W., Ren, Y., Si, Y., Wang, F. & Yu, J. Long non-coding RNAs in hematopoietic regulation. Cell regeneration (London, England) 7, 27-32 (2018).

2. Wang, F. et al. A comprehensive RNA editome reveals that edited Azin1 partners with DDX1 to enable hematopoietic stem cell differentiation. Blood 138, 1939-1952 (2021).

3. Chu, C., Qu, K., Zhong, F.L., Artandi, S.E. & Chang, H.Y. Genomic maps of long noncoding RNA occupancy reveal principles of RNA-chromatin interactions. Mol Cell 44, 667-678 (2011).

4. Kaya-Okur, H.S. et al. CUT&Tag for efficient epigenomic profiling of small samples and single cells. Nat Commun 10, 1930 (2019).

5. Shilpa M Hattangadi, Piu Wong, Lingbo Zhang et al. From stem cell to red cell: regulation of erythropoiesis at multiple levels by multiple proteins, RNAs, and chromatin modifications. Blood, 2011; 118(24):6258-68.

6. Juan R Alvarez-Dominguez, Wenqian Hu, Austin A Gromatzky, et al. Long noncoding RNAs during normal and malignant hematopoiesis. Int J Hematol, 2014; 99(5):531-41.

7. Yang Mei, Yijie Liu, Peng Ji. Understanding terminal erythropoiesis: An update on chromatin condensation, enucleation, and reticulocyte maturation. Blood Rev, 2021 Mar; 46:100740.

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