张进课题组报道rRNA生物发生调控小鼠ES

作者：杨超月

责编 | 酶美

小鼠二细胞 (2C) 阶段胚胎细胞是胚胎发育早期阶段的全能性干细胞，可以产生胚胎和胚胎外组织的所有细胞类型。在体外培养的小鼠胚胎干细胞（ES）中，存在一小群分子特征与2C期胚胎的分子特征相似的2C-like细胞。最近研究表明，ES细胞向2C-like细胞的转变受到与表观遗传修饰相关的多种因素的调控【1-3】。染色质高级结构是重要的表观遗传因素，与基因表达调控和细胞命运转变密切相关。有趣的是，染色质高级结构似乎是2C基因调控和ES细胞向2C-like细胞转变的重要因素。例如，2C基因激活受到先驱转录因子Dux的调节，该因子可增加染色质可及性。最近的两项研究报道称，多能性因子DAPP2和DAPP4以及母源性因子NELFA可以与Dux的启动子区域结合并直接反式激活其表达【4, 5】。此外，染色质结构重塑因子CAF-1的下调可以诱导ES细胞向2C-like细胞转变【6】。此前的研究表明定位于核仁的蛋白NCL,LIN28可以与TRIM28(KAP1)相互作用调控2C基因的表达【7, 8】。然而，我们尚不完全了解核仁周边异染色质以及其高级结构如何调控ES细胞2C-like细胞转变。

2021年11月9日，浙江大学医学院基础医学系干细胞与再生医学中心/浙江大学医学院附属第一医院/浙江省良渚实验室张进课题组在Nature Communications杂志上发表题为rRNA Biogenesis Regulates Mouse 2C-like State by 3D Structure Reorganization of Peri-Nucleolar Heterochromatin 的研究论文，本研究通过多组学数据整合挖掘与分子实验相结合的研究策略首次发现核糖体RNA生物发生通过调控核仁相分离以及重塑核仁周边异染色质区高级结构来调控ES-2C-like细胞命运转变以及早期胚胎发育。多种抑制rRNA生成的方法可以诱发核仁应激（nucleolar stress），导致核仁周边异染色质的变化从而解除对Dux等2C基因的抑制，最终促进ES细胞向2C-like细胞的命运转变。

2021年7月31日张进课题组在Protein & Cell杂志上发表的题为 LIN28 Coordinately Promotes Nucleolar/Ribosomal Functions and Represses the 2C-like Transcriptional Program in Pluripotent Stem Cells 的研究论文（Protein & Cell丨张进团队揭示核仁定位的RNA结合蛋白LIN28调控小鼠胚胎干细胞多能性状态与二细胞样状态转变的机制）。本项研究是进一步拓展。这两项研究与张进课题组近期关于胚胎代谢（Nat Metab | 张进/胡泽平合作揭示小鼠着床前胚胎发育的代谢重塑与代谢调控）（Nature Metabolism, 2021)和细胞周期对2CLC的影响（Stem Cell Report, 2021) 的研究共同探索了传统被认为具有持家基因（housekeeping gene）功能的核仁、代谢等，在早期胚胎发育和细胞命运转变中的特异作用。

研究发现rRNA合成抑制剂CX-5461处理ES细胞引起2C基因的高表达。rRNA生物发生在核仁相分离中发挥关键作用，进一步检测CX-5461处理前后核仁相分离的变化情况，发现CX-5461处理影响了核仁正常相分离，关键蛋白NCL、NPM1以及RPA194介导的相分离液滴流动性明显增加，NCL和NPM1在核仁DFC层中形成的独特环形结构消失（图1）。

图1. rRNA生物合成抑制剂CX-5461影响了核仁正常相分离。

相分离能够对染色质表观遗传状态进行调控，利用ChIP-seq和ATAC-seq测序实验，本研究进一步检查了CX-5461处理前后，核仁周边异染色质表观遗传状态的变化，发现CX-5461处理后，活跃性的表观修饰H3K4me3和H3K27ac水平明显增加，抑制性的表观修饰H3K9me3和H3K27me3水平明显降低。NCL/TRIM28复合物是ES细胞中维持核仁异染色质区的关键蛋白，NCL在核仁DFC层中形成的独特环形结构消失，提示CX-5461处理解除了NCL/TRIM28复合物对核仁异染色质区的结合，本研究进一步发现，CX-5461处理后，NCL/TRIM28复合物对核仁异染色质区的结合明显降低。

通过结合公开发表ChIP-seq、ATAC-seq、RNA-seq测序数据以及qPCR和ATAC-seq测序实验，本研究进一步研究发现rRNA生物合成抑制是通过关键转录因子DUX蛋白来激活2C基因。核仁异染色质区表观遗传状态的变化提示其染色质高级结构发生了变化，本研究进一步利用Hi-C测序技术解析了CX-5461处理前后ES细胞染色质高级结构的变化情况，发现CX-5461处理后，ES细胞核仁异染色质区和MERVL区域的3D基因组高级结构与2C胚胎更为相似。此基础上，本研究进一步通过细胞遗传学手段干扰rRNA生物合成，发现干扰rRNA生物合成过程中的步骤可以重现了CX-5461处理后的ES细胞分子表型。最后，本研究利用CX-5461在小鼠早期胚胎上进行了实验，重现了ES细胞中的分子表型，有趣的是，研究发现rRNA生物合成是调控二细胞胚胎向四细胞胚胎转变的关键调控因素。