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解码基因组“暗物质”!中科大瞿昆课题组及合作者连发两篇非编码RNA研究成果

人类基因组约含有超过30亿个DNA碱基对,蕴藏着生命的奥秘。但人类只有大约2~2.5万个基因,占据不到2%的基因组序列,剩余的近99%的DNA都位于非编码区,被称为基因组中的“暗物质”。随着基因测序技术的发展,科学家们逐步发现,这些曾一度被认为是人类基因“暗物质”的非编码区域虽然不表达蛋白质,但是会生成非编码RNA——同样蕴含丰富的信息,具有重要的生物学功能。

近年来的研究表明,非编码RNA在生命调控、疾病发生发展等过程中扮演着重要角色。比如经典的XIST、HOTAIR、MALAT1,能够通过结合在染色质上,调控基因转录等活动。随着高通量测序技术的发展,科学家们已鉴定并注释了数十万条非编码RNA,然而绝大部分非编码RNA的功能尚不清晰,同时非编码RNA与染色质结合的机理也有待进一步探讨。

近日,中国科学技术大学微尺度物质科学国家研究中心、生命科学与医学部、中科院天然免疫与慢性疾病重点实验室瞿昆教授课题组及其合作团队将视线聚焦于基因组中的“暗物质”,先后于Genome BiologyGenome Research杂发表两项重要非编码RNA研究成果,为深入解析非编码RNA生物学意义,探索其对基因表达的调控机制及与人类健康的密切关系带来了新的进展。

一、Genome Biology发表非编码RNA与染色质结合的新技术

图1. 相关研究成果发表于Genome Biology杂志

在第一项研究中,瞿昆教授课题组和美国斯坦福大学医学院Howard. Y. Chang教授课题组以及中国科学院深圳先进技术研究院合成所的马晴副研究员合作,开发了名为PIRCh-seq的组学检测技术,能够精细鉴定染色质上不同表观遗传状态结合的非编码RNA。该研究鉴定了一系列和染色质互作的功能性非编码RNA,并且系统性的研究了染色质和非编码RNA的结合模式,为进一步揭示非编码RNA同染色质结合的生物学意义,及其对基因表达的调控机制提供了新的方法和思路。相关研究成果于2019年12月20日以“PIRCh-seq: functional classification of non-coding RNAs associated with distinct histone modifications”为题,在线发表于Genome Biology杂志。

据悉,该研究开发的PIRCh-seq(Profiling Interacting RNAs on Chromatin),可利用不同组蛋白抗体,或激活/抑制型组蛋白修饰抗体,如H3、H3K4me3、H3K27ac、H3K27me3等,富集结合在对应区域上的非编码RNA,之后利用高通量测序技术,一次性实现对数百条染色质结合非编码RNA的定性和定量分析。

图2. PIRCh-seq试验示意图

该研究工作开发的PIRCh-seq技术可有效地富集不同表观状态下的染色质结合非编码RNA。该技术对系统性的揭示非编码RNA和染色质的互作机理有重要的科学意义,为进一步研究非编码RNA对基因转录的调控机制提供了新的方法和手段,在非编码RNA研究领域有广泛的应用前景。

该研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部、中国科学院的资助。通讯作者为中国科大瞿昆教授和斯坦福大学医学院Howard Chang教授,第一作者为中国科大方靖文博士和中国科学院深圳先进技术研究院合成所的马晴副研究员。

二、Genome Research文章揭示调节表皮稳态的新型长链非编码RNA分子PRANCR

全基因组关联研究表明,许多疾病易感性区域位于基因组的非蛋白质编码区域。长链非编码RNA是非编码基因组的重要组成部分,然而其生物学功能尚不完全清楚,尤其是对疾病的调控作用及机制。在人类表皮中,祖细胞增殖和分化之间存在动态平衡。该平衡的破坏会导致湿疹,牛皮癣和角化细胞癌等常见疾病,共同影响着超过20%的人口。因此深入解析长链非编码RNA在表皮稳态中的潜在作用与人类健康有着密切的联系。

图3. 相关研究成果于12月23日发表于Genome Research杂志

在第二项研究中,瞿昆教授课题组和美国加州大学圣地亚哥分校Bryan K. Sun教授课题组合作,利用CRISPRi(CRISPR interference)技术,预测了10个具有显著性差异并可能具有功能的长链非编码RNA。通过进一步验证和筛选,发现RP11-611E13.2,新命名为PRANCR (progenitor renewal-associated noncoding RNA)这一新型长链非编码RNA可以调控角化细胞增殖,调节细胞周期和克隆增生,同时该基因的缺失则会导致表皮分层受损,并破坏表皮系统稳态。研究成果2019年12月23日以“A genome-wide long noncoding RNA CRISPRi screen identifies PRANCR as a novel regulator of epidermal homeostasis”为题,在线发表于Genome Research杂志。

图4. CRISPRi技术鉴定表皮中功能性长链非编码RNA

该项研究是首个通过CRISPRi技术在全基因组层面筛选表皮系统中功能性长链非编码RNA的工作,系统性地鉴定了在维持表皮稳态过程中也可能起作用的长链非编码RNA,为深入理解表皮细胞增殖和分化以及表皮稳态等生物学过程提供了基础。

该研究工作得到国家自然科学基金委、科技部、中国科学院的资助。通讯作者为中国科大瞿昆教授和加州大学圣地亚哥分校Bryan K. Sun教授,第一作者为中国科大蔡鹏飞和加州大学圣地亚哥Auke B.C. Otten博士。

参考文献:

1. Fang, J., Ma, Q., Chu, C. et al. PIRCh-seq: functional classification of non-coding RNAs associated with distinct histone modifications. Genome Biol 20, 292 (2019) doi:10.1186/s13059-019-1880-3

2. Cai, P., Otten, A. B., Cheng, B., Ishii, M. A., Zhang, W., Huang, B., … Sun, B. K. (2019). A genome-wide long noncoding RNA CRISPRi screen identifies PRANCR as a novel regulator of epidermal homeostasis. Genome Research, gr.251561.119.doi:10.1101/gr.251561.119

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本文由 测序中国 作者:白云 发表,转载请注明来源!

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