NCB | 北京大学韩敬东团队揭示 KCNQ1OT1参与细胞衰老过程的分子机制

转座子(去)抑制和异染色质重组在细胞命运决定过程中被动态调节，是细胞衰老的标志。然而，它们是否有特定的序列调控仍不清楚。

2022年10月20日，北京大学韩敬东团队在Nature Cell Biology 在线发表题为“KCNQ1OT1 promotes genome-wide transposon repression by guiding RNA–DNA triplexes and HP1 binding”的研究论文，该研究发现KCNQ1OT1 lncRNA通过序列特异性Hoogsteen碱基通过其重复丰富区与双链基因组DNA配对，并与异染色质蛋白HP1α结合，引导、诱导和维持特定重复DNA元素的表观遗传沉默。

抑制KCNQ1OT1或删除其富含重复的区域可减少KCNQ1OT1靶向转座子上的DNA甲基化和H3K9me3。表型上，抑制KCNQ1OT1可诱导衰老相关异染色质斑、转座子激活和逆转座作用以及细胞衰老，证明了KCNQ1OT1在防止基因组不稳定和衰老方面的重要作用。

转座子活化和异染色质重组是决定细胞命运和衰老的关键事件。细胞衰老过程中最显著和常见的早期事件是细胞核中H3K9三甲基化(H3K9me3)斑的形成，称为衰老相关异染色质斑(SAHF)。SAHF通常包含编码区和非编码区DNA序列，并以多种异染色质标记为特征，包括H3K9me3和HP1蛋白。最近的研究也发现了一些长链非编码RNA (lncRNA)参与异染色质的形成和稳定性，而其他许多lncRNA与衰老表型有关。例如，许多lncRNA调节NFkB信号，从而调节衰老相关的分泌表型(SASPs)，另一项研究表明lncRNA GUARDIN是维持端粒稳定所必需的。

转座子的抑制和激活通常是序列特异性的，例如，只有进化上年轻的AluY亚家族，而不是较老的Alu亚家族，在免疫细胞中被抑制。为什么在发育和衰老过程中只有一组转座子被激活或被抑制，以及是什么使广泛的表观遗传(去)抑制序列特异性仍然不清楚。也不清楚是否有lncRNA通过塑造转座子活性和异染色质景观来调节衰老。KCNQ1OT1是父系表达的lncRNA，与8~10个蛋白编码基因的转录沉默相关。超过91 kb长的KCNQ1OT1在5 '端包含多个重复基序，在KCNQ1OT1转录本的3 '半部分也有一个大约50 kb的重复丰富区。

位于KCNQ1OT1转录起始位点后5 '端的重复序列在哺乳动物中是保守的，在沉默侧翼基因中起着重要作用，而KCNQ1OT1中富含重复的区域的功能尚不清楚。此外，KCNQ1OT1之前被认为只顺式发挥作用，抑制附近的编码基因。然而，其仅顺式作用并不能解释KCNQ1OT1的高表达水平(根据RNA-测序(RNA-seq)数据，在HEK293T细胞中，FPKM为2.6，高于大多数lncRNA，如众所周知的反式作用lncRNA HOTTIP (FPKM为0.21)。顺式作用和反式作用的区别在于，反式作用需要序列特异性，而顺式作用不需要序列特异性。

本研究通过HP1α增强交联和免疫沉淀(eCLIP)与测序(eCLIP - seq)、计算预测和详细的分子表征确定了KCNQ1OT1 lncRNA引导DNA甲基化、H3K9me3和转座子抑制在基因组范围内的特定重复DNA元素上。该研究发现，通过在KCNQ1OT1的重复丰富区和靶DNA之间形成一个RNA-双链DNA (dsDNA)三重结构，并与HP1α同时结合，KCNQ1OT1需要维持其靶序列上的H3K9me3和DNA甲基化，以抑制其转录。

单独删除KCNQ1OT1的重复丰富区域会导致KCNQ1OT1靶向的Alu、L1和卫星重复元件的激活，KCNQ1OT1的敲除(KD)会导致细胞自发衰老。此外，设计一个新的引导序列足以异位靶向KCNQ1OT1进行DNA甲基化。

KCNQ1OT1参与细胞衰老过程的分子机制

综上所述，此研究发现KCNQ1OT1通过HP1和triplex结构与DNA发生相互作用，并对维持异染色质结构的稳定性、靶向序列上的表观修饰状态和L1的抑制状态发挥了重要作用，KCNQ1OT1的缺失会导致异染色质结构的紊乱、L1表达上调以及衰老表型的产生，为衰老研究提供了新的靶点。此外，此研究揭示了一直以来悬而未决的大量转座子元件保持序列特异性沉默的分子机制，即通过lncRNA识别靶向DNA上能与之形成triplex结构的序列并促使该序列上DNA甲基化的发生，而这一机制是首次在哺乳动物细胞内发现的类似CRISPR/Cas9系统的由引导序列（guiding sequence）决定的表观修饰编辑系统。

这项工作由韩敬东团队的博雅博士后张晓丽博士及博士生姜泉龙、李吉羊、张世强等共同完成，得到了基金委及科技部重大项目等资助。

参考消息：

https://www.nature.com/articles/s41556-022-01008-5

转自：“iNature”微信公众号

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