Nature揭示lncRNA基因如何发挥沉默大威力

来自加州理工学院的研究人员发现了一类丰富的RNA基因——长链非编码RNAs(lncRNAs)是如何调控一些关键基因的。通过研究一种叫做Xist的重要lncRNA，科学家们确定了这种RNA聚集一组蛋白质，最终阻止女性拥有一条额外的功能性X染色体的机制。研究论文发表在4月27日的《自然》（Nature）杂志上。

　　

生物通报道  来自加州理工学院的研究人员发现了一类丰富的RNA基因——长链非编码RNAs(lncRNAs)是如何调控一些关键基因的。通过研究一种叫做Xist的重要lncRNA，科学家们确定了这种RNA聚集一组蛋白质，最终阻止女性拥有一条额外的功能性X染色体的机制。在女性胚胎中多出一条功能性X染色体可以导致早期发育阶段死亡。这是研究人员首次揭示出lncRNA基因的详细作用机制。研究论文发表在4月27日的《自然》（Nature）杂志上。 

该研究的领导者、生物学助理教授Mitch Guttman说：“多年来，我们都只是将基因视作为是编码蛋白质的DNA序列，而这些基因只占大约1%的基因组。哺乳动物基因组还编码了成千上万的lncRNAs。诸如Xist一类的lncRNAs发挥着重要的结构作用，充当了支架——聚集并组织了参与基因表达和干细胞分化等一些细胞和分子过程的关键蛋白。

2009年在麻省理工学院攻读研究生的Guttman帮助发现了一整类lncRNAs。他说尽管编码在我们基因中的这些基因大多数都是到近期才获得重视，但也有几个已经知道有数十年的特殊lncRNA基因例子。Xist就是一个充分研究的例子，它在X染色体失活过程中发挥重要作用（延伸阅读：Cell揭示神秘X失活的分子机制 ）。

所有的女性出生时每个细胞中都有两条X染色体，一条遗传自母亲，另一条遗传自父亲。相比之下，男性只有一条X染色体和一条Y染色体。然而，像男性一样，女性只需要一个拷贝的X染色体基因——有两个拷贝是一种异常情况，可以导致发育早期死亡。基因组通过“关闭”每个细胞中的一条X染色体绕开了这些问题。

以往的研究表明Xist对于这一过程至关重要，其通过某种方式阻止X染色体上的基因转录做到了这一点。但由于Xist不是一种传统的蛋白质编码基因，直到现在研究人员也难以弄清楚Xist阻止转录及关闭整条染色体的确切机制。

Guttman说：“要开始了解是什么让一些lncRNAs如此特异，以及它们如何控制所有这些不同细胞过程，我们需要去认识lncRNA基因发挥作用的机制。由于Xist是如此重要的一个分子，大家皆知它的作用，试图剖析它和其他lncRNAs发挥作用的机制看起来是一个大的系统工程。”

众所周知，lncRNAs可以聚集和组织细胞过程必需的一些蛋白质，因此Guttman和同事们首先开发出了一项技术来查明它在细胞中与什么蛋白发生了自然互作，开启了他们对于Xist功能的研究。利用一种叫做RAP-MS的新方法研究人员抽提并纯化了Xist lncRNA分子，以及小鼠胚胎干细胞中直接与Xist互作的蛋白。随后，加州理工学院蛋白质组探索实验室的合作者应用一种叫做定量质谱法的技术鉴别了这些互作蛋白。

哈佛大学干细胞和再生生物学副教授John Rinn （未参与这一研究）说：“RNA通常只遵守一条规则：与蛋白质结合，RAP-MS就像分子显微镜一样鉴别了RNA-蛋白质互作。RAP-MS将提供有关lncRNAs如何发挥功能组织蛋白质，转而调控基因表达的一些极其重要的认识。”

将这一技术应用于Xist揭示出了10种与Xist相互作用的特异蛋白质。其中有三个蛋白SAF-A (Scaffold attachment factor-A), LBR (Lamin B Receptor)和SHARP (SMRT and HDAC associated repressor protein)对X染色体失活至关重要。Guttman说：“在这项实验之前没有人知道Xist沉默X染色体转录所需的单个蛋白，借助这种方法我们立即发现了这三个必需的蛋白。如果你失去其中的一种蛋白，Xist就无法发挥作用——在发育过程中它将不会沉默X染色体。

这些新研究结果提供了lncRNAs如何在一个细胞过程中起作用的第一个详细图像。通过进一步的分析，研究人员发现这三个蛋白发挥了三种不同但至关重要的作用。SAF-A帮助连接了Xist和所有到达X染色体DNA上的搭便车的蛋白质，在这里LBR重塑了染色体使得它不太可能表达。Guttman和同事们发现实际的“沉默”工作是由第三个蛋白SHARP完成。

要让一条染色体的基因生成功能性蛋白质，首先必须通过RNA聚合酶II将基因转录为RNA。Guttman和他的研究小组发现SHARP将聚合酶排除于DNA之外，因此阻止了转录和基因表达。

这一信息将有可能很快获得临床应用。Xist lncRNA定位在X染色体上因此沉默了它。以往的研究证实可以利用这一RNA和它的沉默机器来失活其他的染色体——例如存在于唐氏综合症个体内的第三条21号染色体。

Guttman 说““我们正开始理清lncRNAs发挥作用的机制。例如，我们现在知道了Xist是如何定位到X染色体上的一些位点，以及它是如何沉默转录，如何改变DNA结构的。让我们感到真正兴奋的一件事是，我们有可能利用lncRNAs的这一原理，让它们在基因组四处移动，利用它们作为治疗药物来靶向疾病中特异的缺陷信号通路。”

“我认为它之所以对于我们这一领域以及其他领域如此重要，真正的原因在于这是与我们从前在细胞中看到的不同的一种调控——是我们从前一无所知的一个广阔的世界。”他说。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

The Xist lncRNA interacts directly with SHARP to silence transcription through HDAC3

Many long non-coding RNAs (lncRNAs) affect gene expression1, but the mechanisms by which they act are still largely unknown2. One of the best-studied lncRNAs is Xist, which is required for transcriptional silencing of one X chromosome during development in female mammals3, 4. Despite extensive efforts to define the mechanism of Xist-mediated transcriptional silencing, we still do not know any proteins required for this role3. The main challenge is that there are currently no methods to comprehensively define the proteins that directly interact with a lncRNA in the cell5. Here we develop a method to purify a lncRNA from cells and identify proteins interacting with it directly using quantitative mass spectrometry. We identify ten proteins that specifically associate with Xist, three of these proteins—SHARP, SAF-A and LBR—are required for Xist-mediated transcriptional silencing. We show that SHARP, which interacts with the SMRT co-repressor6 that activates HDAC37, is not only essential for silencing, but is also required for the exclusion of RNA polymerase II (Pol II) from the inactive X. Both SMRT and HDAC3 are also required for silencing and Pol II exclusion. In addition to silencing transcription, SHARP and HDAC3 are required for Xist-mediated recruitment of the polycomb repressive complex 2 (PRC2) across the X chromosome. Our results suggest that Xist silences transcription by directly interacting with SHARP, recruiting SMRT, activating HDAC3, and deacety
lating histones to exclude Pol II across the X chromosome.