RNA结合蛋白通过表观遗传调控连接外显子使用与染色质状态的机制研究

《NAR Genomics and Bioinformatics》：RNA-binding proteins connect Exon usage to the chromatin

本研究针对组蛋白修饰如何调控选择性剪接这一关键科学问题，开展了RNA结合蛋白(RBP)在连接染色质状态与外显子使用中的功能研究。通过整合分析ENCODE项目的多组学数据，研究人员发现H3K36me3、H3K9me3和H3K4me3等组蛋白标记与外显子差异使用(DEU)显著相关，并鉴定出TIA1、U2AF2等关键RBP作为潜在的表观剪接(episplicing)调控因子。研究首次系统揭示了RBP结合亲和力可预测外显子局部表观遗传状态，为理解发育和疾病中表观遗传-转录组交叉调控提供了新机制见解。

　　

在生命科学的奇妙世界里，蛋白质的多样性往往决定了细胞的功能和命运。而这种多样性的一个重要来源，就是基因转录过程中外显子的选择性剪接——如同一位巧妙的剪辑师，细胞能够根据需要将同一个基因的不同外显子进行组合，产生功能各异的蛋白质变体。然而，这个精密的剪辑过程是如何被调控的？近年来，科学家们发现表观遗传因素可能在其中扮演着关键角色。

组蛋白修饰作为重要的表观遗传标记，不仅影响着基因的转录活性，还可能通过一种称为"共转录剪接"的机制，直接影响外显子的选择。多个研究表明，特定的组蛋白修饰如H3K27ac、H3K27me3、H3K36me3等在外显子区域显著富集，暗示它们可能直接参与剪接调控。但这种关联的具体分子机制仍是一个待解之谜。

为了解决这一科学问题，德国萨尔大学生物信息学中心的Hanah Robertson等研究人员在《NAR Genomics and Bioinformatics》上发表了一项创新性研究。他们通过整合分析ENCODE项目中的多组学数据，系统探讨了RNA结合蛋白(RBP)如何作为"分子桥梁"，连接局部染色质状态与外显子使用差异。

研究团队首先从ENCODE数据库获取了五种胚胎干细胞系(H1、外胚层、内胚层、中胚层、神经干细胞)以及K562、HepG2两种癌细胞系的转录组和表观基因组数据。通过rMATS分析外显子差异使用(DEU)，利用MANorm鉴定差异组蛋白修饰(DHM)，并在外显子两侧200bp区域内关联这两种信号。研究人员创新性地将基因按其外显子DEU与DHM的相关性分为"表观剪接基因"(epispliced genes)和"非表观剪接基因"，并利用RBPmap工具预测了160种RBP在这些外显子侧翼区域的结合亲和力。

关键技术方法包括：使用rMATS(V4.2.0)计算外显子差异使用水平(PSI值)，MANorm(V1.3.0)分析组蛋白修饰差异富集，RBPmap(V1.2)预测RNA结合蛋白结合位点，随机森林分类器进行机器学习建模，以及ENCODE的eCLIP数据验证RBP结合事件。所有分析基于GENCODE人类参考基因组GRCh38(V24)，样本来源于ENCODE项目的多能干细胞和癌细胞系。

Exon-skipping events of genes are associated with local epigenetic changes

研究人员在五种胚胎干细胞系中鉴定出与外显子差异使用显著相关的组蛋白标记。通过在外显子两侧200bp区域内关联DEU和DHM评分，发现H3K36me3、H3K9me3、H3K4me3等标记与外显子使用状态存在显著相关性。特别值得注意的是，基因HDAC2的一个外显子在神经干细胞与中胚层细胞间的差异使用，同时与H3K36me3和H3K9me3两种组蛋白标记的差异富集相关，提示可能存在组蛋白标记的协同调控机制。

RBP binding affinities can predict the local epigenetic state of alternative exons

研究团队训练了随机森林分类器，基于RBP结合亲和力预测外显子是否属于表观剪接类型。结果显示，模型能够有效区分表观剪接和非表观剪接外显子，特别是在H3K36me3、H3K9me3和H3K4me3相关模型中表现优异。这一发现表明RBP的结合模式确实包含了外显子局部表观遗传状态的信息。

RBPs preferentially bind to skipped exons marked by a histone mark

通过SHAP值分析，研究人员鉴定出一组关键的表观剪接RBP(episplicing RBPs)，这些蛋白在表观剪接外显子侧翼区域表现出更强的预测结合亲和力。有趣的是，不同组蛋白标记相关的表观剪接RBP具有明显的序列偏好性：H3K36me3、H3K9me3和H3K4me3相关的表观剪接RBP倾向于结合AU富集序列，而H3K27me3相关的则偏好GC富集区域。

Sequence specificity of histone mark enrichment around exons

序列 motif 分析进一步证实了不同组蛋白标记的特异性调控模式。表观剪接RBP的结合 motif 在不同组蛋白标记间表现出显著差异，支持了组蛋白标记可能通过招募特定RBP来调控剪接的假设。特别值得注意的是，剪接体核心成分U2AF2被预测为H3K36me3和H3K4me3的表观剪接RBP，而在H3K27me3模型中则被归类为非表观剪接RBP，显示其功能可能受局部染色质状态调节。

Episplicing in HepG2-K562 cell lines

为了验证在胚胎干细胞中的发现，研究人员分析了K562和HepG2癌细胞系的eCLIP数据。结果显示，TIA1和U2AF2在表观剪接外显子侧翼区域确实存在实验验证的结合事件。以基因CD46为例，其外显子13在K562细胞中的增加使用与H3K36me3富集及TIA1结合相关，而该外显子在HepG2细胞中的使用减少则与PTBP1结合相关，提示了一个可能的表观遗传-RBP协同调控机制。

研究结论表明，组蛋白修饰与选择性剪接之间存在密切的功能联系，而RBP在这一过程中扮演了关键的中介角色。通过整合多组学数据和机器学习方法，本研究系统鉴定了一组表观剪接RBP，并揭示了它们在不同组蛋白标记背景下的特异性调控模式。这些发现不仅深化了我们对表观遗传-转录组交叉调控的理解，也为相关疾病的机制研究和治疗策略开发提供了新的视角。

特别值得关注的是，研究发现H3K36me3、H3K9me3和H3K4me3可能通过共享的AU富集序列 motif 协同调控剪接过程，而H3K27me3则可能采用不同的GC富集机制。这种序列特异性的调控模式为理解发育和疾病中剪接异常的表观遗传基础提供了重要线索。

该研究的创新之处在于将计算生物学方法与实验验证相结合，首次系统揭示了RBP在连接染色质状态与外显子使用中的核心作用。研究结果不仅证实了已知的表观剪接调控机制，还发现了许多新的潜在调控因子，为未来功能研究提供了丰富的数据资源和理论框架。随着更多细胞类型和生理状态的类似分析，我们有望构建一个更加完整的表观遗传-转录组调控网络，最终实现对基因表达程序的精准理解和调控。