一条调控信号通路和表观遗传的长非编码RNA在胚胎干细胞中的功能与机制研究

Understanding the function and working mechanism of thousands of long noncoding RNAs (lncRNA) is currently one of the most pressing issues in life sciences research. Through years of effort, embryonic stem cell (ESC) field has accumulated a large number of research tools and assays to evaluate a variety of functions, as well as a great deal of knowledge on the regulatory network, therefore ESCs provide a great system to study lncRNAs. Until today lncRNAs have not been identified to directly control signal transduction pathways in ESCs; moreover, the same lncRNA that can simultaneously regulate both signaling pathways and chromatin modifications has never been reported. Our preliminary study identified an lncRNA distributed in both cytoplasm and nucleus, which regulates MAPK signaling pathway and H3K27 trimethylation in ESCs. In this application, we propose to fully dissect the function and regulatory mechanism by this lncRNA in ESCs and during reprogramming. This study is expected to significantly broaden our current understanding of the function and regulation of lncRNAs, and also contribute to regenerative medicine by providing novel molecular targets to control ESCs and improve reprogramming technology.

哺乳动物细胞内表达种类繁多且数量巨大的长非编码RNA，它们的生物学功能及作用机制是当前生命科学研究领域中的焦点问题。胚胎干细胞为研究长非编码RNA的调控和功能提供了很好的切入点，因为多年来该领域积累了大量的功能研究平台和坚实的调控网络研究的知识基础。目前在胚胎干细胞中尚未有调控信号通路的长非编码RNA的报道，而具有直接调控信号通路和表观遗传修饰双重功能的长非编码RNA在整个非编码RNA研究领域也鲜有报道。前期研究中申请人在胚胎干细胞中鉴定了一条核质二相分布的长非编码RNA,并发现该lncRNA具有调控MAPK信号通路和H3K27三甲基化的双重功能；本申请拟深入研究该lncRNA在胚胎干细胞和重编程过程中的调控功能与作用机制。研究结果不仅对于理解长非编码RNA调控和功能的基础生物学有重要意义，也将为控制胚胎干细胞的自我更新和分化以及重编程的技术体系提供新的靶标分子和理论支持。

人类基因组编码成千上万的长非编码RNA，它们的功能和作用机制是当前研究的前沿领域。长非编码RNA作用机制解析的重点在于如何将其与已经研究较为清楚的信号通路、转录因子、表观遗传因子和微小RNA等联系起来构成一个更完整的调控网络。本项目以多能干细胞为模型，研究了一条长非编码RNA Trincr1调控胚胎干细胞的自我更新和FGF/ERK信号通路的功能和作用机制。发现Trincr1通过与E3连接酶TRIM71相结合，抑制其活性，从而抑制胚胎干细胞中的ERK信号通路的激活，帮助维持胚胎干细胞的自我更新。另外，本项目在研究过程中开发了多个与非编码RNA研究相关的技术手段，包括新型miRNA功能筛选技术和miRNA控制基因编辑体系的技术，同时建立了多个胚胎干细胞长非编码RNA敲除模型，为后续深入研究打下了基础。信号通路调控的成果发表于Nature Communications, 其他相关成果凝集成论文7篇，发表于Nature Cell Biology, EMBO Reports和Stem Cell Reports等杂志。本项目的科学意义在于走通了一条鉴定调控信号通路的长非编码RNA的研究路径，明确了相关RNA与蛋白质互作的序列和结构，有效拓展非编码RNA的作用模式，为构建lncRNA为主体的调控网络打下知识基础，并为建立通过lncRNA来控制胚胎干细胞命运决定的技术体系提供理论支持。