楊雪瑞課題組發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)非編碼RNA LETN控制細(xì)胞核仁形態(tài)與功能活性的關(guān)鍵作用
人類等高等哺乳動(dòng)物基因組中包含大量長(zhǎng)非編碼RNA（lncRNA），其中絕大多數(shù)功能未知。在數(shù)萬個(gè)lncRNA中，近年來的研究發(fā)現(xiàn)了數(shù)百個(gè)與多種細(xì)胞過程與生理功能相關(guān)的lncRNA，但在核心細(xì)胞過程中不可或缺，起決定性關(guān)鍵作用的lncRNA仍然非常少見。近期，清華大學(xué)生命學(xué)院楊雪瑞課題組首次發(fā)現(xiàn)了一個(gè)對(duì)于高增殖率細(xì)胞的核仁結(jié)構(gòu)及功能至關(guān)重要的lncRNA，將其命名為L(zhǎng)ETN。研究還揭示了lncRNA LETN 與其互作蛋白NPM1之間的共進(jìn)化關(guān)系，對(duì)于未來的lncRNA功能研究具有高度的啟發(fā)性。
lncRNA種類繁多，功能復(fù)雜多樣，缺乏研究基礎(chǔ)與先驗(yàn)知識(shí)，因此在許多生物醫(yī)學(xué)研究中，面對(duì)眾多未知功能的lncRNA往往無從下手，難以快速產(chǎn)生可驗(yàn)證且具有較大原創(chuàng)性的科學(xué)假說。楊雪瑞課題組的一個(gè)重要研究方向致力于癌癥系統(tǒng)生物學(xué)方法的開發(fā)。針對(duì)lncRNA功能研究的現(xiàn)實(shí)問題，他們聚焦腫瘤體系，使用公開的多種癌癥大隊(duì)列組學(xué)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析了上千個(gè)lncRNA對(duì)于腫瘤中轉(zhuǎn)錄調(diào)控通路的影響，以此作為lncRNA生理功能的量化指標(biāo)，并進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序。此前，實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)使用類似的策略系統(tǒng)研究了單個(gè)lncRNA或RNA結(jié)合蛋白及全基因組的DNA甲基化位點(diǎn)參與的轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)（Cell Reports，2019），并以此為基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn)HNRNPC蛋白在乳腺癌細(xì)胞中控制內(nèi)含子Alu加工及內(nèi)源雙鏈RNA的累積并調(diào)控細(xì)胞免疫反應(yīng)（The EMBO Journal，2018），發(fā)現(xiàn)lncRNA NEAT1通過控制轉(zhuǎn)錄因子AGRN驅(qū)動(dòng)前列腺癌細(xì)胞周期（Cancer Research，2018）。
在本項(xiàng)研究中，楊雪瑞實(shí)驗(yàn)室基于肝癌多組學(xué)隊(duì)列數(shù)據(jù)的計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)RP11-196G18.22在所有l(wèi)ncRNA中排名第一，顯著區(qū)別于所有其它lncRNA，表現(xiàn)出非常強(qiáng)大且全局性的影響力。在這一線索的啟發(fā)下，研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)RP11-196G18.22展開了全面深入的功能與機(jī)制研究，最終發(fā)現(xiàn)其與NPM1蛋白互作，在高增殖細(xì)胞中扮演著不可或缺的關(guān)鍵角色，并將其更名為L(zhǎng)ETN（lncRNA essential for tumor cell proliferation via NPM1）。2021年1月11日，該成果以長(zhǎng)文的形式發(fā)表于《細(xì)胞研究》（Cell Research），題目為“長(zhǎng)非編碼RNA LETN與蛋白NPM1的互作控制核仁結(jié)構(gòu)與功能以維持細(xì)胞增殖 “（Mutual dependency between lncRNA LETN and protein NPM1 in controlling the nucleolar structure and functions sustaining cell proliferation）。論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41422-020-00458-6
他們的研究發(fā)現(xiàn)LETN表達(dá)水平在多種腫瘤中上調(diào)，其通過與核仁蛋白NPM1的直接結(jié)合駐留在核仁中，并在促進(jìn)NPM1五聚體的形成中起著至關(guān)重要的作用。核仁是真核細(xì)胞中非常重要的無膜細(xì)胞器，是核糖體RNA的轉(zhuǎn)錄、加工以及核糖體亞基組裝的場(chǎng)所，控制了細(xì)胞蛋白質(zhì)合成、有絲分裂、壓力應(yīng)激等多種生物學(xué)功能。腫瘤細(xì)胞及神經(jīng)前體細(xì)胞等快速增殖的細(xì)胞高度依賴于活躍的核仁功能，而核仁的功能與結(jié)構(gòu)依賴于NPM1五聚體的形成。因此，LETN通過控制NPM1的寡聚化組裝，控制了核仁的正常形態(tài)與細(xì)胞功能，包括核糖體RNA合成及染色質(zhì)凝聚等。
圖1.LETN的敲低嚴(yán)重破壞核仁中NPM1的組裝分布。
更進(jìn)一步，從進(jìn)化的角度看，LETN僅在人類及其它高等靈長(zhǎng)類動(dòng)物中出現(xiàn)，而NPM1蛋白也在高等靈長(zhǎng)類動(dòng)物中存在兩個(gè)特異的氨基酸位點(diǎn)突變。論文發(fā)現(xiàn)正是這兩個(gè)位點(diǎn)的突變導(dǎo)致NPM1產(chǎn)生對(duì)非編碼RNA LETN的高度依賴性。因此，論文提出LETN與NPM1可能存在共進(jìn)化關(guān)系，這使得人類細(xì)胞的核仁調(diào)控出現(xiàn)了由lncRNA LETN執(zhí)行的新的調(diào)控層級(jí)。
圖2. NPM1蛋白兩個(gè)位點(diǎn)的人鼠差異導(dǎo)致人類細(xì)胞核仁中特異的LETN-NPM1互作。
清華大學(xué)生命學(xué)院博士生王顯騰為論文第一作者，楊雪瑞為論文通訊作者。課題組其他成員胡小林、宋婉璐、徐暉、肖正濤、黃榮耀等為本研究做出了重要貢獻(xiàn)，同濟(jì)大學(xué)沈沁課題組及北京協(xié)和醫(yī)院肝臟外科趙海濤教授為課題提供了大力協(xié)助。研究工作得國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)研究”重點(diǎn)專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金委、清華大學(xué)自主科研項(xiàng)目的資助。國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)研究（北京）設(shè)施（清華大學(xué)蛋白質(zhì)研究技術(shù)中心）及清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)測(cè)試中心下屬基因測(cè)序與分析平臺(tái)、生物計(jì)算平臺(tái)、細(xì)胞影像平臺(tái)、蛋白質(zhì)制備與鑒定平臺(tái)、功能分析平臺(tái)、蛋白質(zhì)化學(xué)與組學(xué)平臺(tái)、細(xì)胞生物學(xué)平臺(tái)及清華大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心對(duì)本課題各項(xiàng)的分析與實(shí)驗(yàn)提供了大力支持。
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