Nature Communications | 性染色体剂量补偿RNA的新角色:常染色体基因表达调控
在自然界中,许多动物具有异形的性染色体(如X和Y染色体)。在漫长的进化过程中,一条性染色体(例如Y染色体)逐渐退化,仅保留少量基因,导致性染色体(如X染色体)上很多基因的剂量在不同性别之间存在差异。例如,人类女性有两条X染色体,而男性只有一条X染色体。为了应对这种基因剂量不平衡,很多物种进化出了“性染色体剂量补偿”(sex chromosome dosage compensation)机制,在不同性别间平衡基因表达水平。有趣的是,这些以整条染色体为单位的表观调控机制中,往往有长非编码RNA(lncRNA)的参与。例如,人类和小鼠雌性体内有一种叫做XIST的长非编码RNA,它能使XX雌性细胞中一条X染色体表观失活,相关基因的表达被关闭,而果蝇则通过雄性个体中表达的另一种叫做roX的长非编码RNA实现XY雄性中唯一一条X染色体的表观激活。
尽管这些机制在表观调控模式上看似截然不同,但它们都依赖于长非编码RNA的核心作用。为什么性染色体剂量补偿机制中总是有长非编码RNA的参与?为什么有些生物选择对整条染色体进行激活,而另一些物种选择失活?这些问题至今仍未解答。此外,传统观点认为,参与性染色体剂量补偿的长非编码RNA仅特异性地结合在X染色体上,其在常染色体上的作用则鲜有研究,也尚未明确其生物学意义。
2025年1月2日,中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所的马晴研究员团队在《Nature Communications》杂志在线发表了题为“A noncanonical role of roX RNAs in autosomal epigenetic repression”的最新研究成果,揭示了果蝇长非编码RNA roX在常染色体上的非经典表观抑制功能。这项研究不仅打破了传统认知,还加深了我们对RNA在基因表达调控中复杂作用的理解,同时为合成生物学中非编码RNA工具的开发提供了重要线索。
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研究团队通过对多组学数据的综合分析,揭示了长非编码RNA roX在常染色体上发挥的新功能。研究人员比较了ChIRP-seq(解析RNA在基因组上的结合位点)和ChIP-seq(解析组蛋白修饰或表观调控因子在基因组上的结合位点)数据,发现roX与常染色体的结合并不涉及其在X染色体上的激活机制,而是展现出不同的调控方式。进一步的表观基因组状态分析(包括ChIP-seq、PIRCh-seq和RT&Tag技术,解析组蛋白修饰在基因组上结合位点或相关的RNA)和基因序列特征分析表明,roX可能通过与抑制型组蛋白修饰H3K27me3的功能相关联,在常染色体上执行表观抑制的角色。
图1 长非编码RNA roX在常染色体上的结合与PRC复合物介导的H3K27me3修饰功能相关
a. roX RNA与MSL复合物及PRC复合物的共定位分析结果;b. roX结合位点邻近区域组蛋白修饰的富集分析情况;c. H3K27me3免疫沉淀样品中roX2 RNA的富集检测结果;d. roX基因敲除后雄性果蝇幼虫转录组的差异表达情况;e. 常染色体上受roX抑制调控的部分基因GO功能富集分析结果;f. RNA pull-down实验验证roX2与相关蛋白的相互作用情况.
通过RNA测序(RNA-seq)技术,研究人员对比了roX缺失前后果蝇基因的表达变化,发现常染色体上与roX结合的基因大多数表达量升高,而这与X染色体上基因表达下降的情况形成鲜明对比。进一步的功能分析(GO分析)显示,常染色体上受roX抑制的基因的功能与发育过程密切相关,部分基因特别涉及雌性分化和发育。这一发现暗示,雄性发育过程中可能需要通过roX抑制常染色体上与雌性分化和发育相关基因的表达,确保雄性正常的发育程序得以进行。 此外,研究人员通过质谱分析(ChIRP-MS)鉴定了与roX相互作用的蛋白,并通过体外实验进一步验证了部分关键候选分子的直接互作。结果显示,roX能够与Polycomb抑制复合物(PRC)的一些组分发生相互作用,而PRC复合物可以促进H3K27me3的积累。这一机制进一步解释了roX在常染色体上抑制基因表达的功能。
图2 长非编码RNA roX在基因组表观调控中扮演双重角色的机制
这项研究综合证明,果蝇的长非编码RNA roX不仅具有表观激活功能,还在常染色体上具有非经典的表观抑制功能。在X染色体上,roX通过激活型MSL复合物调控雄性剂量补偿;而在常染色体上,roX则通过与PRC复合物协作,抑制与雌性发育相关的基因表达,确保雄性正常发育。这一发现不仅揭示了roX RNA的“双重角色”,还为理解长非编码RNA如何协调染色体间的表观调控机制提供了新视角。本研究从果蝇这一模式生物出发,揭示了长非编码RNA参与基因表达调控的全新机制,同时为合成生物学中非编码RNA工具的开发提供了重要线索。
中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所马晴研究员为本文的通讯作者,课题组助理研究员李健健、研究助理徐舒阳和研究助理刘自聪为共同第一作者。澳门大学邵宁一教授,中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所的李楠研究员和陈明海副研究员为本研究提供了帮助和支持,本工作获得了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、广东省合成基因组学重点实验室、深圳合成基因组学重点实验室以及深圳合成生物学创新研究院等多个项目的支持。
PI与课题组简介
马晴,中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所研究员,博士生导师。入选国家级青年人才,国家重点研发计划合成生物学青年项目首席科学家。课题组主要研究方向:基因组非编码区域以及非编码RNA在干细胞分化和表观遗传调控中的功能和机理,合成生物学非编码RNA工具的发掘和开发。研究成果以一作或通讯作者发表在Developmental Cell、Genome Biology、National Science Review、Nature Communications、eLife、Development等国际专业期刊。
实验室主页:
http://isynbio.siat.ac.cn/qingmalab/
课题组长期招募博士后、硕博士研究生。有意申请者请将个人简历以邮件方式发送至qing.ma@siat.ac.cn。