清华大学首席科学家Cell子刊:CRISPR/Cas9助力lncRNA研究

【字体: 时间:2015年04月20日 来源:生物通

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  来自清华大学、南京大学及约翰霍普金斯大学等处的研究人员,利用CRISPR/Cas9基因组编辑技术揭示出在胚胎干细胞分化过程中lncRNA Haunt和它的基因组位点(Genomic Locus)在调控HOXA基因的激活中发挥了相反的作用。这一重要的研究发现发表在《细胞干细胞》(Cell stem cell)杂志上。

  

生物通报道  来自清华大学、南京大学及约翰霍普金斯大学等处的研究人员,利用CRISPR/Cas9基因组编辑技术揭示出在胚胎干细胞分化过程中lncRNA Haunt和它的基因组位点(Genomic Locus)在调控HOXA基因的激活中发挥了相反的作用。这一重要的研究发现发表在《细胞干细胞》(Cell stem cell)杂志上。

清华大学973项目首席科学家沈晓骅(Xiaohua Shen)是这篇论文的通讯作者。其主要研究方向是运用跨学科生物手段,包括小鼠遗传学,分子及细胞生物学和基因组及疍白组学等系统生物学技术,研究表观遗传学机理在干细胞分化,细胞功能和命运决定中的作用。

胚胎干细胞(ESC)是最为原始的干细胞,它来源于哺乳动物囊胚的内细胞团,具有无限的自我更新能力,同时,这种细胞是多能干细胞,能够分为三胚层中任何一种细胞类型。胚胎干细胞具有广泛的应用前景,是当前生命科学研究领域的重要方面。胚胎干细胞的自我更新和多向分化都是在遗传和表观遗传的严格调控下进行。

长链非编码(lncRNAs)是一类长度大于200个核苷酸、缺少特异完整开放阅读框、无蛋白质编码功能的RNA。有研究证实,一些lncRNAs可顺式介导局部基因表达,反式影响多个基因转录,并充当了维持染色质结构的支架。在功能上, lncRNAs调控了包括X染色体失活、基因组印记、细胞周期调控等不同的生物学过程。近期的一些研究表明,lncRNAs也参与调控了ESC生物学的各个方面包括ESC的定向分化,但当前对于特异lncRNAs的功能以及它们的分子作用机制仍知之甚少。

CRISPR/Cas9系统是近年来兴起的一种强大的基因组编辑工具,这一系统是通过细菌的II型规律成簇的间隔短回文重复(CRISPR)序列和它自身一种非常高效的Cas9核酸酶,来靶向目的基因造成特异的双链断裂(DSBs)而有效地引起基因组改变或突变(延伸阅读:华人学者技术突破:将CRISPR应用于分子克隆 )。

在这篇文章中研究人员借助于CRISPR/Cas9技术开展研究,证实了在ESC分化过程中lncRNA转录物Haunt和它的基因组位点在调控HOXA基因簇中发挥了独立且相反的作用。他们证实在减少或是增加Haunt的表达,而不破坏Haunt基因座的情况下,可分别导致HOXA基因上调或下调。与之相反,在Haunt基因座中进行大片段基因组删除可以抑制HOXA激活。他们发现Haunt基因座包含了HOXA激活的潜在增强子,而Haunt RNA发挥作用阻止了异常的HOXA表达。

这项研究工作为我们建立了一个lncRNA介导对HOXA基因簇转录调控的多面模型,揭示出一个lncRNA转录物和它的基因组位点之间相反的作用,并显示了快速的CRISPR/Cas9基因组编辑在解析lncRNA功能方面具有的强大能力。

(生物通:何嫱)

作者简介:

沈晓骅

2011年 - 至今 研究员、清华-北大生命科学联合中心
2010年 - 至今 教授、清华大学医学院
2009年 - 2010年 讲师、哈佛大学医学院、Dana-Farber癌症研究所和波士顿儿童医院
2004年 - 2008年 博士后、哈佛大学医学院、Dana-Farber癌症研究所、波士顿儿童医院
2003年 博士 美国密歇根大学医学院 专业生物化学
1996年 学士 南开大学生命科学院 专业生物化学

研究兴趣:多能干细胞的表观遗传调控

研究方向:目前主要以多能性干细胞为模型,并结合癌症细胞和小鼠模型,研究细胞特有的调控因子(包括蛋白和非编码RNA分子)如何与表观遗传调控机制(以Polycomb蛋白介导的H3K27me3为例)相互作用,指示或引导表观遗传酶在不同细胞、不同的染色质区域,建立不同的表观遗传修饰,从而选择性地表达部分基因,最终决定细胞命运和功能。以上表观遗传机制的突变又如何导致人类疾病,特别是癌症。研究成果将会提供重要的框架在系统和分子水平上认识表观遗传机制和非编码RNA在基因调控、干细胞分化、发育和疾病中的作用,促进人工操控细胞命运和干细胞疗法的临床实现,并提供新颖的药物线索治疗癌症。

生物通推荐原文摘要:

Opposing Roles for the lncRNA Haunt and Its Genomic Locus in Regulating HOXA Gene Activation during Embryonic Stem Cell Differentiation

Long noncoding RNAs (lncRNAs) have been implicated in controlling various aspects of embryonic stem cell (ESC) biology, although the functions of specific lncRNAs, and the molecular mechanisms through which they act, remain unclear. Here, we demonstrate discrete and opposing roles for the lncRNA transcript Haunt and its genomic locus in regulating the HOXA gene cluster during ESC differentiation. Reducing or enhancing Haunt expression, with minimal disruption of the Haunt locus, led to upregulation or downregulation of HOXA genes, respectively. In contrast, increasingly large genomic deletions within the Haunt locus attenuated HOXA activation. The Haunt DNA locus contains potential enhancers of HOXA activation, whereas Haunt RNA acts to prevent aberrant HOXA expression. This work reveals a multifaceted model of lncRNA-mediated transcriptional regulation of the HOXA cluster, with distinct roles for a lncRNA transcript and its genomic locus, while illustrating the power of rapid CRISPR/Cas9-based genome editing for assigning lncRNA functions.

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