四川大学《Cell Reports》解析原始侏儒症病因

　　

生物通报道：近日，知名期刊《Cell Reports》刊登了四川大学生命科学学院的最新研究论文“Primordial Dwarfism Gene Maintains Lin28 Expression to Safeguard Embryonic Stem Cells from Premature Differentiation”，表明原始侏儒症基因Lapr7可维护Lin28的表达，防止胚胎干细胞过早分化。这项研究，从胚胎干细胞的角度，为PD提供了一个有趣的解释，把Lin28与原始侏儒症病因联系起来。

本文通讯作者为四川大学生命科学学院生长代谢衰老研究中心的李沁桐博士，其2006年博士毕业于美国爱荷华大学，先后在美国哈佛大学和加州大学旧金山分校从事博士后研究，2009年至今为四川大学生命科学学院博士生导师，先后在EMBO Journal、JBC、Molecular Cell、Cell Stem Cell、Cell Reports等著名国际期刊发表论文多篇。李沁桐实验室致力于干细胞生物学研究及转化医学开发。利用iPS诱导干细胞技术和干细胞定向分化技术模拟人类疾病发生发展过程，研究致病机理，开发干细胞治疗并为新药研制提供筛选平台。本文第一作者为该实验室成员戴谦。本研究受到国家基础研究973项目、国家自然科学基金和四川省科技部的资助支持。

原始侏儒症（Primordial dwarfism，PD）是一种单基因疾病，特点是在出生前和出生后的总体生长不足。PD与普通侏儒症不同，PD患者的身体比例像正常人一样协调，只是身体发育很缓慢。尽管一个世纪以来，人们一直认为PD是一种隐性遗传性状，但直到最近才发现其致病基因。有趣的是，大多数PD基因在正常生理条件下的DNA复制和损伤应答通路中发挥功能。值得注意的是，U4atac小核RNA（snRNA）突变——小剪接体的一个组成部分，也被认为与PD有关。然而，这些基因中的缺陷是如何导致了PD，目前仍然知之甚少。

最近，有研究认为，La核糖核蛋白结构域家族成员7（LAPR7）的胚系功能缺失突变与PD有关。研究人员最初将LAPR7蛋白确定为核糖核蛋白复合物（7SK RNP）中7SK snRNA的一个组成性结合伴侣。7SK RNP唯一已知的功能是招募RNA结合蛋白HEXIM1或HEXIM2，并随后隔离正转录延伸因子b（P-TEFb）。P-TEFb，由CDK9催化亚基和细胞周期素T调节亚基组成，是释放来自近端启动子暂停的RNA聚合酶II的一个关键因子。因此人们普遍认为，P-TEFb活性的上调可激活总的基因转录。事实上，由于P-TEFb亚基的长时间过表达，可增加生物质合成，因此会导致非分裂细胞的细胞生长。

在癌细胞中，P-TEFb的活性通常也是增加的，并且是细胞增殖所必需的。通过7SK RNP，大多数细胞的P-TEFb都处于一种非活跃状态。LARP7似乎能保持细胞内7SK RNP的稳定性，尽管并不是体外抑制P-TEFb所必需的。敲除LARP7能够使P-TEFb从7SK RNP中释放出来，所以其能够增加P-TEFb的细胞活性。因此，LARP7的功能缺失导致总体生长不足，这似乎是矛盾的。

胚胎干细胞（ESCs）是能够自我更新的多能性细胞，能够在三个胚层产生各种细胞类型。在最佳条件下，ESCs可以在体外无限增殖。有趣的是，最近有研究表明，在血清中，小鼠ESCs在一个初始状态（naïve state，类似于囊胚中的内细胞团）和一个活化状态（primed state，发育上类似于更先进外胚层的一个更分化状态）之间摇摆不定。这两种状态的自我更新和多能性，是由相同的一组核心多能性转录因子保持，但却存在关键的差异。活化状态中的ESCs表现出扁平的细胞形态，表达细胞系特异性转录，具有较低的克隆形成，并不能引起囊胚嵌合体。

值得注意的是，研究人员普遍观察到，血清培养的ESCs表现出自发的分化，可能是因为它们在活化状态下更容易分化。在分子水平上，初始状态的细胞系相关基因的过早转录，受到RNA聚合酶II近端启动子暂停的限制。在活化状态下，将RNA聚合酶II释放到这些基因的生产性转录延伸区，是基因表达上调的一种普遍机制。然而，是否P-TEFb参与其中尚不清楚。对调节ESCs初始和活化状态的分子通路的了解，仍然还处于初级阶段。

由于ESCs能够产生多种细胞类型，所以它们提供了一个独特而优秀的人类疾病体外模型。有趣的是，据推测，PD基因功能缺陷可能会降低发育早期的胚胎细胞数量，导致子宫内观察到的较小胚胎体积。然而，是否PD患者ESCs的任何方面都会受到影响还不清楚。因为LARP7突变是生殖细胞突变，所以我们认为，ESCs是研究这种发育障碍根本机制的一个理想系统。

这项研究表明，Larp7缺失，通过Lin28（最近出现的一个重要的哺乳动物身体尺寸正调控因子）的异常调节，使ESCs处于待分化状态。具体来说，研究人员发现，Larp7与一种poly（A）聚合酶Star-PAP相互作用，来维持Lin28 mRNA的稳定性。研究人员认为， Lin28和P-TEFb的适当调节，是避免ESCs过早分化所必需的，以使足够数量的细胞分裂可以在分化之前完成，以便保持合适的有机体大小。

总之，这项研究把Lin28与原始侏儒症病因联系在一起，强化了它作为有机体大小主要调节因子的作用。具体来说，研究人员揭示，包含Larp7和Star-PAP的一个蛋白质复合体，是保持Lin28在ESCs中表达所必需的。确定其他PD基因的缺陷是否也引起胚胎干细胞的数量减少，将具有非常重要的意义。理解根本机制将有助于我们在体外操纵胚胎干细胞，起到其在再生医学中的重要作用。（生物通：王英）

延伸阅读：川大学子Cell子刊发表重编程重要发现。

生物通推荐原文摘要：
Primordial Dwarfism Gene Maintains Lin28 Expression to Safeguard Embryonic Stem Cells from Premature Differentiation
Summary：Primordial dwarfism (PD) is characterized by global growth failure, both during embryogenesis and postnatally. Loss-of-function germline mutationspostnatally. Loss-of-function germline mutations in La ribonucleoprotein domain family, member 7 (LAPR7) have recently been linked to PD. Paradoxically, LARP7 deficiency was previously assumed to be associated with increased cell growth and proliferation via activation of positive transcription elongation factor b (P-TEFb). Here, we show that Larp7 deficiency likely does not significantly increase P-TEFb activity. We further discover that Larp7 knockdown does not affect pluripotency but instead primes embryonic stem cells (ESCs) for differentiation via downregulation of Lin28, a positive regulator of organismal growth. Mechanistically, we show that Larp7 interacts with a poly(A) polymerase Star-PAP to maintain Lin28 mRNA stability. We propose that proper regulation of Lin28 and PTEFb is essential for embryonic cells to achieve a sufficient number of cell divisions prior to differentiation and ultimately to maintain proper organismal size.