RNA剪接调控干细胞分化

 日前,多伦多大学领导的一支联合研究团队在一项最新研究中证实,干细胞分化不仅受到基因表达和转录的调控,还受到RNA选择性剪接的控制。这一研究发现对于深入了解干细胞的研究和治疗潜力具有重要意义。相关研究论文刊登在了近期出版的《自然》(Nature)杂志上。

        哺乳动物基因组中包含有约23,000个基因。选择性剪切确保了这些相对有限的蛋白质编码基因,能够生成数量上至少高出10倍的蛋白质。通过改变基因RNA转录物的加工方式,选择性剪切导致了蛋白质的多样性:将转录物的每个蛋白质编码部分或是剪除或是留下,就形成了不同的成熟信使RNAs。因此,一个基因可以以一种组织特异性或发育阶段特异性方式,生成多个蛋白质变异体(异构体)。

        在这项新研究中,科学家描述了选择性剪接在胚胎干细胞调控中的作用,从而从另一个重要的层面上了解了支配干细胞状态和分化的机制。

        胚胎干细胞(ES)细胞具有两个重要特性:能够无限地分裂以及多能性。因此,这些细胞具有极大的临床应用潜力,还可作为模型用于疾病研究。关于ES细胞多能性的调控机制,当前的研究主要将焦点放在转录过程中,以及染色质修饰对基因表达的控制上。还没有研究证实任何的选择性剪接主控因子与ES细胞的维持、分化或转录相关。

        为了了解选择性剪接事件与多能性的相关性,科学家研究了来自人类和小鼠ES细胞、诱导多能干(iPS)细胞等多能干细胞,以及各种分化细胞的RNA数据。

        研究人员发现多能干细胞与分化细胞之间,数十个选择性剪接事件存在差异,包括从前已知的多能因子FOXP1 ES细胞特异性mRNA事件。当他们测量许多已知剪接调控子的表达水平时,作者们发现其中一些在多能细胞和分化细胞之间存在显著的差异。尤其是两个调控子MBNL1和MBNL2在ES细胞中以非常低的水平表达,而在分化细胞中表达水平则高得多。

        MBNL1和MBNL2是如何影响干细胞身份的?研究人员报告称,发现ES细胞转录物的选择性剪接位点高度富集MBNL1和MBNL2结合基序,并且这些因子以一种独特的模式结合到了这些位点上。因此,看起来是这些调控子的结合模式控制了成熟mRNA蛋白质编码区域(外显子)的剪除或纳入。

        MBNL蛋白的细胞水平也似乎影响了分化状态。在ES细胞中这些蛋白质表达升高,可诱导分化特异性的选择性剪接事件,导致ES细胞特异性的一种FOXP1异构体水平下降。与之相一致,在分化细胞中降低这些蛋白质的表达,可导致选择性剪接成熟切换到ES细胞样模式。并且减少MBNL1和MBNL2的表达可以大大提高分化细胞重编程为iPS细胞的效率。

        这些研究结果为后续开展更广泛的研究创造了条件。了解MBNL蛋白的确切作用机制,或许有助于确定这一调控网络的上游元件。由于ES细胞的表观遗传状态受到连续调控的影响,表观遗传与选择性剪接之间可能存在着关联。了解选择性剪接与表观遗传以及其他已知调控多能性的网络之间的相互作用,也是一个有趣的研究方向。此外,Hong Han等鉴别出了大量选择性位点,以及ES细胞中差异性的剪接调控子。对它们开展深入地研究,将有可能促成对选择性剪接控制多能性机制的新认识。

        这项研究发现或许还具有一个重要的现实意义:有可能能够利用剪接调控子来控制细胞分化和重编程的效率和结果。在后续的研究中,新研究发现也将改变研究人员检测和操纵多能干细胞的方式。