反向长非编码RNA Bait调控Brn2转录和神经细胞成熟的机制研究

Previous studies in human and murine embryonic stem cells indicate that over 60% of long non-coding RNA(lncRNA) is originate from divergent transcripts at promoter region of active protein-coding genes. Nascent RNA sequencing by Gro-seq(global run-on sequencing) find that these divergent transcribed lncRNA/mRNA gene pairs show coordinate changes during endodermal differentiation of embryonic stem cells. The function and biological significance of these antisense direction transcribed lncRNA is still unclear. In the attempt to direct reprogramming human dermal fibroblasts into neuronal cells, we find that there are two gatekeepers in human cells: RNA binding protein PTB controls the neuronal induction, whereas its neuronal homolog nPTB determines neuronal maturation, which is further achieved by modulating an antisense long non-coding RNA Bait (Brn2 antisense intergenic transcripts). Bait controls the transcription of its sense partner Brn2 and the onset of neuronal maturation, but the molecular mechanism is elusive. In the proposal, we will choose Bait as a model to study how antisense lncRNA regulate sense transcription and what is the underling mechanism for such regulation. The study will uncover the general biological significance of antisense transcribed lncRNA and lay the foundation for neuronal reprogramming; finally, we hope to develop a more efficient way to directly convert human adult fibroblasts into functional neurons to study neurological diseases. .

在胚胎干细胞中的研究表明，超过60%的长非编码RNA源自蛋白编码基因启动子区的反向转录本。新生RNA测序发现在干细胞分化过程中反向转录的lncRNA和其正向蛋白编码基因的表达存在相同的趋势，但反向lncRNA的作用及意义不明。在尝试重编程人成纤维细胞至神经元细胞的过程中，我们发现在人神经细胞转分化过程中存在两个核查蛋白（gatekeeper）：RNA结合蛋白PTB控制神经细胞转分化的起始，其神经细胞同源蛋白nPTB控制神经细胞的成熟。nPTB功能的实现则是通过一个反向长非编码RNA Bait，Bait可调控其正向蛋白编码基因Brn2的转录，进而调节神经细胞成熟。 因此研究反向lncRNA Bait调控正向蛋白编码基因Brn2转录的分子机制将有助于我们理解反向转录的lncRNA存在的普遍作用及意义，也将加深我们对神经细胞重编程的理解，为开发高效的重编程新方法和研究神经退行性疾病提供理论基础。

～60%的人类基因在启动子区存在双向转录，进而产生大量的反向RNA，该项目致力于研究双向转录产生的反向RNA的功能及相关生理、病理机制。在该项目的支持下，我们研究了“RNA结合蛋白nPTB调控神经细胞转分化和神经元成熟的分子机制”和“双向转录的非编码RNA在AID靶定中的功能机制”两个方向的研究工作，揭示了反向RNA及其结合蛋白nPTB和ROD1在神经细胞转分化和AID靶定中的新功能和新机制。主要取得了以下研究结果：1）发现nPTB-Brn2-miR-9环路控制神经细胞成熟，建立了高效、快速的神经细胞定量转分化新方法，为神经退行性病变的研究和治疗提供了方法策略；2）发现nPTB通过结合启动子区的反向RNA而募集CBX3-HDAC1-SUZ12复合物，进而抑制正向基因的转录。该发现证明，反向RNA并非之前认为的是转录的副产物, 而是为定位RNA结合蛋白、调控正向基因表达的功能性分子；3）发现启动子区双向转录的非编码RNA可决定AID在基因组上的靶定。首次发现了AID的共辅助因子ROD1，阐明了ROD1通过基因组上双向转录的RNA而决定AID对靶位点的识别，并且在结构层面回答了AID突变导致高IgM综合症发生的致病机理，为后期的临床诊断和治疗打下了基础。项目资助期间在国际一流学术期刊Nature Neuroscience发表资助项目第一标注的研究论文1篇，申请题为“一种控制人神经细胞重编程的信号通路及其应用”发明专利1项。此外，还有1篇论文在Science杂志修改中。