基础医学研究所余佳研究团队在《Molecular Oncology》、《Nature Communications》及《Cell Stem Cell》发表article揭示非编码RNA代谢新机理及生理功能

发布时间:2019-10-23

MicroRNA (miRNA)通常以“成熟体”的形式发挥作用,成熟的miRNA来源于miRNA初级转录本(Primary-miRNA)。在细胞中,通过两次酶促反应,miRNA初级转录本被加工形成miRNA duplex, miRNA duplex包含两条“臂”,其中一条“优势臂”进入RISC复合物发挥调控功能,成为成熟miRNA;另一条“臂”通常情况下趋向于被降解,称为miRNA*。此生物学过程被称为“miRNA臂选择”,是miRNA代谢的重要过程。近年来,越来越多的研究发现,在特定情况下miRNA和miRNA*可以同时存在。然而,当两臂同时存在时二者之间关系如何以及二者如何发挥功能尚缺乏相关研究。近期,基础所余佳课题组连续发表两篇研究论文,在严重威胁人类健康的恶性肿瘤——胃癌中分别揭示了microRNA双臂功能“对立&统一”的特性。

       该研究团队在2019年6月发表于Molecular Oncology》的题名为“Consistency analysis of microRNA-arm expression reveals microRNA-369-5p/3p as tumor suppressors in gastric cancer”的研究中,从microRNA双臂功能“统一性”方向阐述了受甲基化调控的同一前体来源的两个microRNA——miR‐369‐5p和miR‐369‐3p在胃癌发生过程中所发挥的调控作用,应用分子生物学、细胞生物学并结合动物疾病模型,作者证明了miR‐369‐5p和miR‐369‐3p分别通过靶向抑制癌基因c‐Jun 和AKT1,发挥抑癌基因的作用。二者在胃癌中表达丰度不但与胃癌病理进程、恶性程度、预后等多项胃癌临床指标相关,而且与抗癌药物azacitidine的疗效相关。

中国医学科学院基础医学研究所博士生董磊、张正一为该研究论文的第一作者。中国医学科学院基础医学研究所余佳研究员、刘长征副研究员与第三军医大学第三附属医院(大坪医院)的易萍主任医师为该论文的通讯作者。

        随后该研究团队在2019年9月27日于Nature Communications》 杂志发表题为“microRNA arm-imbalance partially from targets-mediated decay promotes gastric cancer progression”的研究论文,则从microRNA双臂功能“对立性”方向阐述了胃癌进程中microRNA双臂发挥矛盾性功能,该研究选择了同一前体来源的两条miRNA——miR-574-5p和miR-574-3p作为研究目标,首先在胃癌临床样本中对多个miRNA的表达情况进行调查,证明了miR-574-5p和miR-574-3p具有特殊的表达模式,即在多个患者的胃癌组织中,miR-574-5p表达上调而miR-574-3p表达下调。临床数据统计学分析表明“miR-574臂转换”与胃癌病例临床恶性程度指标呈显著相关性,提示这种特殊的表达模式是胃癌发生的重要原因之一,研究者将之命名为“miR-574臂转换”。在此基础上,研究者分别通过体内、体外实验证明了miR-574-5p的癌基因属性和miR-574-3p的抑癌基因属性,并通过体内、体外模拟“臂转换”证明了“miR-574臂转换”能够极大的促进胃癌发展进程,表明“miR-574臂转换”在胃癌进程中的重要调控作用。研究者同时证明了对“miR-574臂转换”的干预在小鼠胃癌模型中取得了令人振奋的治疗效。进一步机制研究表明胃癌发生过程的“miR-574臂转换”是由于一类与miRNA高度互补的靶基因的动态变化引发的,这类非经典的miRNA靶基因可通过“TDMD”(Target RNA directed miRNA degradation)效应诱导miRNA降解,且在胃癌组织中呈现出与miR-574-5p或3p相反的变化及功能。由此,研究者提出胃癌中 “miR-574臂转换”是由非经典靶标基因群体诱导产生的miRNA降解所介导的,而这一“miR-574臂转换”进一步加速了胃癌进程(图1)。

 

图1 “miR-574臂转换” 对胃癌的调控功能和发生机制 

        中国医学科学院基础医学研究所博士生张正一、博士生皮静楠,重庆大学附属肿瘤医院邹冬玲副主任医师,中国医学科学院基础医学研究所副研究员王小爽、博士后徐嘉悦为该研究论文的第一作者。中国医学科学院基础医学研究所余佳研究员、马艳妮副研究员、南方医科大学王栋研究员为该论文的通讯作者。

        综上,该两篇研究突破以往microRNA研究中只针对microRNA一条臂研究的局限,提出在不同情况下microRNA两臂具有协同或者拮抗的功能。作者通过对这一分子生物学现象在重大疾病模型中的阐述,为miRNA转录后调控作用模式、调控功能及代谢规律研究提供了新的视角。同时,该两篇研究在恶性肿瘤研究中证明了microRNA臂功能的“对立&统一”的生物学意义,丰富了对胃癌这一恶性肿瘤发病机理的认知,具有重要临床意义。

        文章链接:

        1) https://febs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/1878-0261.12527 

        2)https://www.nature.com/articles/s41467-019-12292-5 

 

同期,余佳课题组与暨南大学兰雨研究组、解放军总医院第五医学中心(原军事科学院附属医院)刘兵研究组合作在国际上首次绘制了小鼠胚胎HSC发育全程的单细胞lncRNA动态表达图谱,并结合体内外功能筛选鉴定出调控HSC发育的重要功能性lncRNA分子——H19。于2019年1月10日在Cell Stem Cell》杂志上发表了“Combined  Single-Cell Profiling of lncRNAs and Functional Screening Reveals H19 is Pivotal for Embryonic Hematopoietic Stem Cell Development“的研究。

造血干细胞(Hematopoietic stem cell, HSC)具有自我更新和多向分化潜能的特点,可以终生提供机体内所需的各类血细胞。小鼠胚胎发育中,第一个HSC出现于胚胎期第10.5天(E10.5),其起源于多个血管位点,包括主动脉-性腺-中肾(AGM)区、头部和卵黄囊。研究表明,AGM区的一群特化的血管内皮细胞,可通过内皮-造血转化,历经HSC前体(pre-HSC),最终生成HSC。迄今为止,针对HSC发育调控机制的多个研究显示,转录因子,信号通路等均参与调控HSC的发生,但是非编码RNA在HSC发育中的动态表达全貌和生理功能仍不清楚。

该研究通过对HSC发育过程相关的6个细胞群体的单细胞转录组测序数据进行严格的生物信息学分析和体外功能筛选实验,发现6个可能在胚胎造血发育中发挥作用的lncRNA。利用条件基因敲除研究策略,着重阐明了H19 lncRNA对于AGM区HSC发生的重要作用。发育早期H19 lncRNA的缺失使得一些重要造血转录因子(包括Runx1及Spi1等)的启动子区域高甲基化并下调其表达,导致血管内皮细胞向pre-HSC的转化阻滞。机制研究发现胞浆定位的H19 lncRNA部分通过抑制甲基化调控分子s-腺苷基同型半胱氨酸水解酶(一种DNA甲基化调控分子)的活性来调控目的基因的甲基化水平,并且该调控功能与H19作为microRNA前体的加工产物miR-675的功能无关(图2)。

 图2单细胞lncRNA图谱及H19作用机制模式图 

 

该研究通过多维单细胞/少量细胞测序技术捕捉lncRNA的分子特征,联合lncRNA条件性敲除小鼠,既提供了在数量稀少或珍贵的组织干细胞中研究lncRNA调控机理的可能性,也为lncRNA功能基因组学研究提供了新思路。

解放军总医院第五医学中心(原军事科学院附属医院,解放军307医院)副研究员周杰、博士研究生张琳琳,中国医学科学院基础医学研究所博士后徐嘉悦、博士研究生刘思琪、副研究员马艳妮为该研究论文的第一作者。暨南大学基础医学院兰雨研究员、中国医学科学院基础医学研究所余佳研究员、解放军总医院第五医学中心(原军事科学院附属医院,解放军307医院)刘兵研究员为该论文的通讯作者。

        文章链接:

        https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1934590918305599?via%3Dihub 

 

以上研究工作得到了中国医学科学院医学与健康科技创新工程(2019-I2M-2-001, 2017-I2M-3-009, 2018-I2M-1-001, 2016-I2M-3-002, 2017-I2M-1-015)的资助。 

新闻转自基础所网站,链接:http://sbm.pumc.edu.cn/article/14924