中国科学院广州生物医药与健康研究院/广州再生医学与健康广东省实验室研究员姚红杰课题组联合清华大学生命科学学院研究员孙前文课题组揭示了Sox2/Ddx5与R-loop协同调控体细胞重编程为诱导多能干细胞的新机制。相关研究6月10日在线发表于《科学进展》。

 

     “基因表达调控是决定细胞命运的重要因素，通过改变基因的表达模式即可实现对细胞命运的精准调控。”姚红杰表示，在基因转录过程中，会形成一种由单链DNA和DNA:RNA杂合链组成的三链核酸结构，称为R-loop。已有研究报道R-loop相关蛋白很多都是RBP，然而RBP如何协同R-loop在细胞命运决定中发挥作用尚不清楚。

 

     早在2017年，姚红杰课题组揭示了RBP Ddx5通过调节miR-125b代谢从而负向调控PRC1复合物的非经典亚基RING1和YY1结合蛋白（RYBP）的双重功能，进而调控体细胞重编程为诱导多能干细胞。但是Ddx5作为RNA解旋酶在体细胞重编程中的功能仍然未知。

 

     研究人员运用ssDRIP-seq技术绘制了体细胞重编程过程中R-loop的动态变化图谱，发现R-loop并不是简单地作为转录的副产物出现，而是在转录发生变化之前就开始变化。他们发现敲降R-loop的重要调控蛋白RNaseH1的表达可抑制体细胞重编程的进程。为了研究R-loop与体细胞重编程的关系，研究人员构建了RNaseH1突变体。体外实验表明RNaseH1酶活位点单个氨基酸的点突变体（RNaseH1D209N）可以显著抑制野生型RNaseH1对R-loop的消解作用。重编程实验表明RNaseH1D209N可以改变R-loop水平进而影响体细胞重编程的进程。

 

     因子筛选实验表明Yamanaka四因子中只有Sox2可以回复因R-loop改变而被抑制的重编程。与对照组相比，过表达Sox2处理组重编程细胞的R-loop水平更高。结合组学数据及生物信息分析发现Sox2结合位点附近的R-loop水平较高，而且在重编程过程中增加Sox2的表达量可以增加相关位点R-loop水平。结合RNA-seq及ssDRIP-seq数据发现Sox2促进多能性基因相关位点的R-loop富集。进一步生物信息分析发现Sox2调控的R-loop更倾向位于基因的启动子区域。

 

     该研究发现虽然Sox2可以与R-loop形成复合物，但EMSA实验结果表明Sox2并不具有直接结合R-loop能力，而是间接参与调控R-loop水平的变化。为了揭示Sox2与R-loop的调控关系，研究人员通过质谱数据发现Sox2与RNA解旋酶Ddx5存在相互作用。体外R-loop消解实验揭示Ddx5解旋酶可以直接消解R-loop，而Sox2与Ddx5相互作用并抑制Ddx5对R-loop的消解作用。研究还发现Sox2通过其DNA结合结构域（HMG区域）抑制Ddx5对R-loop的消解作用。

 

     进一步发现Sox2这一新功能并不依赖于Sox2的转录因子活性。体细胞重编程实验发现Sox2可回复因Ddx5而被抑制的重编程进程以及上调Ddx5调控相关位点的R-loop水平，进而促进体细胞重编程为多能干细胞。该研究发现了Sox2/Ddx5协同调控R-loop参与体细胞重编程过程，阐明了R-loop对细胞命运调控的重要作用，并揭示了Sox2这一传统转录因子的新功能。

 

     相关论文信息：https://doi.org/10.1126/sciadv.aba0777