监测NANOG快速降解揭示UTP15通过调控新生转录本维持多能性

《Nature Communications》：Monitoring rapid degradation of NANOG reveals UTP15 maintains pluripotency by regulating nascent transcripts

本研究针对如何系统鉴定主转录因子(MTF)直接转录靶点及其相互作用RNA结合蛋白(RBP)的难题，通过结合NANOG快速降解模型与新生RNA测序技术，发现核糖体生物发生调控因子UTP15能独立于rRNA生物发生途径，被NANOG靶基因招募至染色质，通过促进RNA聚合酶II(Pol II)相分离激活多能性基因转录，为细胞命运决定机制研究提供了新范式。

　　

在生命科学领域，胚胎干细胞(ESC)的多能性维持机制一直是研究的核心课题。多能性是指细胞能够分化为机体所有细胞类型的特殊状态，这一过程受到转录因子、表观遗传修饰、信号通路等多层次精密调控。其中，主转录因子(MTF)如NANOG、SOX2和OCT4被认为是维持多能性核心转录网络的关键调控者。然而，传统研究方法难以区分MTF的直接转录靶点与间接效应，也无法系统揭示新生转录本如何通过与RNA结合蛋白(RBP)的相互作用来执行基因表达调控功能。

针对这一科学瓶颈，广州生物医药与健康研究院等单位的研究团队在《Nature Communications》上发表了最新研究成果。研究人员创新性地结合蛋白质快速降解技术与新生RNA捕获方法，揭示了UTP15这一经典rRNA生物发生调控因子在维持多能性中的全新功能，发现了一条由NANOG-新生转录本-UTP15组成的多能性调控新通路。

研究团队主要运用了几项关键技术：首先建立了NANOG辅助素诱导降解(AID)系统的小鼠胚胎干细胞(mESC)模型，实现了蛋白质的快速特异性降解；其次采用5-乙炔基尿苷(EU)标记新生RNA并进行测序分析，准确捕捉直接转录靶点；第三利用点击化学技术(RICK)全面鉴定新生RNA相互作用蛋白组；最后通过超分辨率成像和体外相分离实验验证了UTP15促进Pol II形成生物分子凝聚体的功能。

急性NANOG降解鉴定直接转录靶点

研究人员首先在mESC中构建了NANOG-AID系统，通过添加植物激素IAA实现了NANOG蛋白的快速降解。利用EU标记新生RNA进行测序分析，发现在NANOG降解后2小时内就有1,812个基因的转录发生显著变化，其中1,788个基因下调，仅24个基因上调。这些早期响应的基因包括已知的NANOG靶基因Esrrb和Klf4等，72.1%的基因位点有NANOG的直接结合。特别值得注意的是，Gata6作为原始内胚层分化的关键调控因子，在NANOG降解后2小时就出现转录上调，这表明该方法能够捕捉到细胞命运转变的早期分子事件。

NANOG缺失后的新生RNA结合蛋白组动态

为了探究NANOG调控的新生转录本如何与蛋白质相互作用，研究团队应用RICK技术分析了NANOG降解后新生RNA结合蛋白组的变化。共鉴定到786个可能的RBPs，其中72.4%已被其他研究证实为RBPs。这些蛋白中，106个(13.5%)与新生RNA的结合能力在NANOG降解后下降，主要富集在mRNA加工、RNA剪接和核糖体生物发生等相关功能。这一发现提示NANOG可能通过调控特定RBPs与新生转录本的结合，进而影响多能性维持。

UTP15对多能性和胚胎发育至关重要

通过对下调RBPs的进一步筛选，研究人员将目光聚焦于UTP15。UTP15是小型亚基过程体(SSUP)复合物的组成成分，传统认为其主要功能是调控rRNA转录和加工。研究发现，UTP15的敲低或快速降解会导致多能性基因(如Nanog、Prdm14和Pou5f1)表达下调，分化基因(如Gata6和Tfap2c)表达上调，细胞增殖受阻，多能性丧失。在胚胎水平，Utp15的敲低会导致早期胚胎发育停滞，囊胚中NANOG水平下降而GATA6表达升高，证明UTP15在生理条件下对胚胎多能性维持具有重要作用。

UTP15被招募至染色质激活基因转录

通过CLIP-seq和ChIP-seq分析，研究人员发现UTP15不仅结合rRNA的5'ETS区域，还显著富集在蛋白编码基因的转录起始位点(TSS)附近。重要的是，UTP15与染色质的结合依赖于RNA转录，当使用放线菌素D(ActD)或三萜类化合物(TPL)抑制RNA转录时，UTP15在靶基因启动子区域的结合显著减少。进一步实验证明，UTP15能够直接激活报告基因的转录，且其降解会导致多能性基因转录的快速下降。尤为关键的是，研究人员发现UTP15对多能性基因的调控独立于其rRNA生物发生功能：缺失核仁定位信号(NoLS)的UTP15突变体能够恢复多能性基因转录，但不能挽救rRNA转录；而特异性降解Pol I亚基POLR1A影响rRNA转录，却不影响UTP15靶基因的表达。

UTP15调控NANOG靶基因转录子集

深入分析显示，UTP15的685个靶基因具有更开放的染色质状态，富集H3K4me3和H3K27ac修饰，且与NANOG靶基因有显著重叠。当NANOG降解时，UTP15在这些靶基因启动子区域的结合减少，表明NANOG可能通过调控转录活性来影响UTP15的染色质招募。虽然UTP15与NANOG之间存在间接相互作用，但这种协同关系可能主要由转录机器组件或新生转录本介导。

UTP15支持Pol II凝聚体形成

研究发现UTP15的C端含有内在无序区域(IDR)，该区域能够在体外形成液-液相分离液滴，且这一过程可被1,6-己二醇(1,6-HD)破坏。在细胞内，UTP15部分与Pol II共定位，其降解会导致Pol II簇数量减少。更重要的是，UTP15的IDR片段能够显著增强Pol II羧基末端结构域(CTD)的簇形成速度和规模，这表明UTP15可能通过相分离机制促进转录凝聚体的组装，从而激活基因转录。

研究结论与讨论部分指出，该工作不仅建立了研究MTF功能的新策略，还揭示了UTP15在多能性调控中的双重功能：一方面作为SSUP组分参与rRNA生物发生，另一方面独立地通过相分离机制激活Pol II介导的转录。这种调控机制可能代表了MTF协调基因表达程序的普遍原理，为理解细胞身份维持提供了新视角。同时，研究也提出了一系列有待探索的问题，如UTP15与其他SSUP组分如何协作，NANOG自身作为潜在RBP的功能，以及Pol I与Pol II转录之间的相互影响等，为未来研究指明了方向。

这项研究的创新之处在于将蛋白质快速降解、新生转录本捕获和RNA-蛋白质相互作用分析有机结合，克服了传统方法的局限性，为在动态过程中解析基因表达调控网络提供了强大工具。该发现不仅深化了对多能性维持机制的理解，也为研究其他细胞类型中的MTF功能提供了可借鉴的方法学框架。