基因荒漠区lncRNA HIDEN调控人多能干细胞内胚层分化的分子机制

作者：卢佩†，杨介†，李茂†，文珊珊，张天喆，闫晨超，刘冉，肖宇，王行环，蒋卫*

（†代表共同第一作者，*代表通讯作者）

武汉大学蒋卫教授团队于2023年4月24日在Genome Biology上在线发表题为“A desert lncRNA HIDEN regulates human endoderm differentiation via interacting with IMP1 and stabilizing FZD5 mRNA”的研究论文。

该研究首先依据长非编码RNA（long noncoding RNA, lncRNA）与蛋白编码基因（protein coding gene, PCG）在基因组的位置关系，将lncRNA分为三类：与编码基因有位置重叠的overlapped lncRNA、与编码基因临近的proximal lncRNA，以及位于基因荒漠区的desert lncRNA；然后，利用人多能干细胞分化体系，通过多种组学数据探索不同类型lncRNA的表达量、细胞类型表达特异性、亚细胞定位等特点，并着重探讨了一个内胚层特异性表达的基因荒漠区lncRNA HIDEN的生物学功能与作用机制。

阐明人早期胚胎发育调控机制对于人早期胚胎发育疾病模拟、药物筛选、干细胞再生医学等有十分重要的意义。已有很多学者对影响人早期胚层分化的若干重要调控因子进行了研究，但其与lncRNA的联系，尤其是基因荒漠区lncRNA，还有待分析。该研究通过人多能干细胞分化的多组学分析发现，基因荒漠区lncRNA在特异性表达的lncRNA中比例约为17%，与PCG临近的lncRNA相比较而言，荒漠区lncRNA具有表达量更高、更倾向定位于细胞质、更具有细胞/组织特异性的特点，表明荒漠区lncRNA可能具有调控细胞谱系特化的生物学功能。

图一：三类lncRNA的表达特征

基于该实验室的人多能干细胞内胚层分化的转录组数据，本研究鉴定了46个在内胚层分化过程中差异表达的基因荒漠区lncRNA，并针对其中一个HIDEN（human IMP1-associated "desert" definitive endoderm lncRNA）进行了详细的功能挖掘和机制探讨。作者在人多能干细胞系中利用shRNA敲低以及CRISPR/Cas9删除启动子的技术干扰HIDEN的表达。利用免疫荧光、细胞增殖等检测手段发现，与野生型细胞相比，HIDEN功能缺失的细胞系维持正常的克隆形态、多能性基因表达和自我更新能力。但在自发分化的拟胚体体系以及定向诱导的内胚层分化过程中，内胚层谱系分化明显被抑制，表明HIDEN对于人多能干细胞内胚层特化必需。

图二：HIDEN敲除的人多能干细胞的多能性以及分化能力检测

进一步的机制研究发现，HIDEN主要定位于细胞质中，利用RNA pulldown结合质谱实验鉴定到HDIEN的互作蛋白IMP1（IGF2BP1），并确定了HIDEN与IMP1的相互作用；而IMP1敲低或敲除也显著抑制了定向诱导的内胚层分化，与HIDEN的功能缺失表型类似。分子机制研究显示，HIDEN缺失不影响IMP1的蛋白水平，但影响IMP1蛋白与FZD5 mRNA的结合，导致FZD5 mRNA稳定性降低。而FZD5是WNT信号通路受体，HIDEN或IMP1缺失导致内胚层分化过程中WNT信号通路活性降低，而在分化中使用WNT通路激活剂可以回补HIDEN或IMP1缺失导致的内胚层分化受阻的表型。同时，FZD5敲低或敲除也显著抑制了人多能干细胞的内胚层分化。这些结果表明基因荒漠区lncRNA HIDEN通过促进IMP1和FZD5 mRNA的相互作用，稳定FZD5 mRNA并维持WNT信号以促进人多能干细胞内胚层分化。

图三：HIDEN与IMP1相互作用调控FZD5 mRNA稳定性

综上，该研究关注了一类不被重视的位于基因荒漠区的lncRNA，并探索了其中一个在内胚层高表达的lncRNA HIDEN的生物学功能和分子机制。该论文揭示了HIDEN通过与RNA结合蛋白IMP1相互作用，介导IMP1蛋白对mRNA的转录后调控，影响了FZD5 mRNA稳定性，并进一步调控WNT信号通路和人多能干细胞内胚层分化的分子机制。

图四：HIDEN调控内胚层分化的模式图

蒋卫课题组长期从事干细胞命运决定的分子调控机制和转化研究。近年来主要利用人多能干细胞维持和分化体系，聚焦于早期胚层分化的表观和代谢调控机制，主要研究成果包括：阐明长非编码RNA和重复序列在人多能性调控以及胚层分化中的作用及机制（Genome Biology 2023；Nucleic Acids Research 2022；Stem Cell Reports 2020）；揭示表观遗传因子调控早期胚层分化的多层机制（Nature Communications 2022；Development 2023；Cell Death Disease 2021）；解析细胞代谢调控细胞干性和分化的机制（Redox Biology 2022；Stem Cell Reports 2021；Cell Death Discovery 2022）。

转自：“BMC科研永不止步”微信公众号

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