2021年10月14日，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所余佳團(tuán)隊(duì)在Genome Biology期刊在線發(fā)表題為“A global screening identifies chromatin-enriched RNA-binding proteins and the transcriptional regulatory activity of QKI5 during monocytic differentiation” 的研究論文。該研究首次全局性描繪了造血細(xì)胞中染色質(zhì)富集型RBP的分布圖譜，并對其染色質(zhì)結(jié)合機(jī)制進(jìn)行探究，鑒定出RBP QKI5通過轉(zhuǎn)錄調(diào)控促進(jìn)單核細(xì)胞分化的新機(jī)制。
RNA結(jié)合蛋白（RNA binding protein, RBP）通過RNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域結(jié)合RNA分子，參與RNA代謝的多個(gè)階段，如選擇性剪接、運(yùn)輸、修飾、編輯、翻譯等，通過轉(zhuǎn)錄后調(diào)控模式影響多種生理病理過程。然而，已有多項(xiàng)研究表明RBP還可通過與染色質(zhì)互作調(diào)控下游基因表達(dá)；近期一項(xiàng)利用ChIP-seq分析特定RBP染色質(zhì)結(jié)合能力的研究顯示，在K562及HepG2細(xì)胞中，某些RBP可與染色質(zhì)結(jié)合，提示RBP不僅可與RNA分子結(jié)合行使轉(zhuǎn)錄后調(diào)控，其在染色質(zhì)環(huán)境下也具有獨(dú)特的調(diào)控功能。但是，目前仍未有對染色質(zhì)富集型RBP的全局性描繪，并且RBP在染色質(zhì)環(huán)境中的調(diào)控機(jī)制非常復(fù)雜，需發(fā)展高效且有針對性的高通量鑒定技術(shù)或策略。
作者首先利用亞細(xì)胞組分分離實(shí)驗(yàn)，在二種血細(xì)胞系K562和THP-1，及293T細(xì)胞中分離出染色質(zhì)組分及可溶性核質(zhì)組分，通過質(zhì)譜分析共鑒定出257個(gè)染色質(zhì)結(jié)合型RBP，其中52個(gè)RBP為三個(gè)細(xì)胞系共有，定義為染色質(zhì)富集型RBP，占已注釋RBP的9.6%，占染色質(zhì)互作蛋白的13.8%，說明與染色質(zhì)結(jié)合可能是核內(nèi)RBP的固有屬性（圖1）。作者接下來篩選了其中造血分化相關(guān)的染色質(zhì)富集型RBP，通過ChIP-seq和CLIP-seq實(shí)驗(yàn)對這類RBP的染色質(zhì)互作機(jī)制進(jìn)行探究（圖2），發(fā)現(xiàn)造血相關(guān)染色質(zhì)富集型RBP在DNA/RNA不同區(qū)域或不同基因類型的分布具有特異性，并且DNA/RNA結(jié)合偏好性也各不相同。值得注意的是，這些RBP并不在原位同時(shí)結(jié)合DNA/RNA，其RNA結(jié)合位點(diǎn)通常在DNA結(jié)合位點(diǎn)5kb以上范圍，提示造血相關(guān)染色質(zhì)富集型RBP不傾向在原位進(jìn)行轉(zhuǎn)錄/轉(zhuǎn)錄后協(xié)同調(diào)控，而是在DNA/RNA水平相對獨(dú)立地行使不同調(diào)控作用。作者進(jìn)一步對這些造血相關(guān)染色質(zhì)富集型RBP的轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)QKI5、KHSRP、 SETD1A在染色質(zhì)背景下具有轉(zhuǎn)錄調(diào)控潛力，而QKI5調(diào)控的造血相關(guān)基因相對最為富集，且多數(shù)為單核分化相關(guān)基因，因此作者后續(xù)選擇在單核細(xì)胞分化中對QKI5的功能及調(diào)控機(jī)制進(jìn)行研究。
圖1 亞細(xì)胞組分分離結(jié)合質(zhì)譜鑒定出大量染色質(zhì)富集型RBP
圖2 染色質(zhì)富集型RBP 在DNA/RNA水平分布特征
通過在人臍帶血來源CD34+造血干祖細(xì)胞（HSPCs）中敲低/過表達(dá)野生型及RNA結(jié)合功能缺陷突變體，作者證明了QKI5可以不依賴于RNA結(jié)合的方式促進(jìn)單核分化。機(jī)制上，通過RNase treated ChIP-qPCR實(shí)驗(yàn)證明QKI5在染色質(zhì)上的富集不依賴于RNA分子；并通過QKI5 ChIP motif附近的轉(zhuǎn)錄因子（TF）motif篩選結(jié)合QKI5 Co-IP質(zhì)譜分析，證明QKI5不通過相關(guān)TF的募集結(jié)合染色質(zhì)。進(jìn)一步，作者進(jìn)行了DNA EMSA實(shí)驗(yàn)，在體外證明QKI5可直接結(jié)合DNA，又同時(shí)通過nuclear run-on實(shí)驗(yàn)，在體內(nèi)證明QKI5可控制靶基因的轉(zhuǎn)錄起始，結(jié)合靶基因新生成轉(zhuǎn)錄本檢測，揭示QKI5可直接結(jié)合染色質(zhì)促進(jìn)下游基因轉(zhuǎn)錄。最后，作者通過雙熒光報(bào)告實(shí)驗(yàn)及Rescue實(shí)驗(yàn)，證明QKI5可通過調(diào)控靶基因例如CXCL2的轉(zhuǎn)錄（圖3），促進(jìn)單核分化進(jìn)程。
該研究描繪了造血細(xì)胞中RNA結(jié)合蛋白的細(xì)胞核內(nèi)分布圖譜，系統(tǒng)性篩選出染色質(zhì)富集型RBP，為后續(xù)核內(nèi)RBP研究提供了開放性高通量數(shù)據(jù)資源；并首次鑒定出QKI5直接結(jié)合染色質(zhì)促進(jìn)轉(zhuǎn)錄的新機(jī)制，豐富了研究者對血液系統(tǒng)RNA結(jié)合蛋白功能機(jī)制的認(rèn)識(shí)。
圖3 QKI5通過促進(jìn)下游靶基因表達(dá)調(diào)控單核分化進(jìn)程
本研究工作得到中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)與健康科技創(chuàng)新工程（2018-I2M-1-001、2019-I2M-2-001）等項(xiàng)目的資助。基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所的余佳教授、王芳教授、王小爽副研究員是本文的通訊作者。基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所任悅博士、霍悅博士生、李衛(wèi)倩博士為本文的共同第一作者。
論文鏈接：https://doi.org/10.1186/s13059-021-02508-7
基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所
