长链非编码RNA CISTR-ACT通过引导FOSL2在人类和小鼠中调控细胞大小的多机制研究

《Nature Communications》：LncRNA CISTR-ACT regulates cell size in human and mouse by guiding FOSL2

本研究揭示了长链非编码RNA CISTR-ACT通过DNA编码的顺式调控元件和RNA介导的FOSL2转录因子引导，在多物种和多细胞类型中调控细胞大小的新机制。研究人员通过CRISPR基因编辑、RNA-seq、Hi-C基因组拓扑学分析及蛋白质互作组学等技术，发现CISTR缺失导致细胞体积增大、细胞周期G1期阻滞，并证实CISTR-FOSL2相互作用对细胞形态发生基因的跨染色体调控至关重要。该研究为理解细胞尺寸控制的遗传基础提供了新范式，对贫血、皮质发育畸形等疾病机制具有重要启示。

　　

细胞是生命的基本单元，其尺寸的精确调控对机体功能至关重要。细胞尺寸异常与多种疾病密切相关，但从遗传学角度揭示细胞尺寸控制机制的研究仍面临挑战。长链非编码RNA（lncRNA）作为基因组中的"暗物质"，虽占人类基因组转录本的很大比例，但其生物学功能和相关机制仍待深入探索。此前研究发现，CISTR-ACT（CISTR）是首个与孟德尔疾病（短指症）相关的lncRNA，且其基因座与红细胞平均体积（MCV）这一临床指标存在显著遗传关联，提示其可能参与细胞尺寸调控，但具体分子机制尚不明确。

为系统解析CISTR的生物学功能，研究团队整合多种前沿技术平台：利用CRISPR-Cas9技术构建CISTR基因敲除的细胞系（人鼻咽上皮细胞RPMI 2650、人白血病细胞K562、人软骨细胞C-28/I2）和Cistr基因敲除小鼠模型；通过CRISPR-Cas13d（CasRx）实现转录本降解；应用CRISPR-Display技术进行RNA的异位定位；采用单分子RNA荧光原位杂交（smRNA-FISH）观察时空表达；开展RNA测序（RNA-seq）进行转录组分析；利用锰增强磁共振成像（MEMRI）进行小鼠脑结构扫描；通过染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）分析转录因子结合；结合染色质构象捕获（Hi-C）技术研究三维基因组互作；建立dCas9-miniTurbo/dCasRx-miniTurbo邻近标记系统筛选互作蛋白；并借助流式细胞术、免疫荧光、行为学测试等多维度表型分析。

研究首先通过群体遗传学分析发现，CISTR基因座上游的lead variant rs938729214[A]与平均球形细胞体积（MSCV）显著相关。功能实验表明，敲除CISTR的DNA序列或其高度保守的内含子区域，或降解其转录本，均引起细胞体积显著增大。RNA-seq显示这些干预导致数千个差异表达基因（DEG），富集于细胞粘附、细胞连接组织、细胞形态发生等通路。值得注意的是，95.06%的DEG位于CISTR的跨染色体区域，提示其主导trans调控作用。

CISTR扰动在多细胞类型中改变细胞尺寸

在RPMI 2650细胞中，ΔCISTR、ΔCISTR_intron和CasRx敲低均使细胞尺寸显著增大。CISTR过表达可减小野生型细胞尺寸，并在ΔCISTR细胞中部分回救表型。在K562细胞中，CISTR缺失同样增大细胞体积，且该效应在血红素诱导分化后依然存在。C-28/I2软骨细胞中CISTR敲除也改变细胞尺寸，下调SOX9等软骨生成基因。细胞周期分析显示ΔCISTR细胞在G₁期比例增加10.9%，增殖速率下降，表明CISTR通过调控G₁/S期转换影响细胞尺寸。

Cistr^-/-小鼠出现红细胞增大和脑区扩大

Cistr敲除小鼠血液学检测显示平均红细胞体积（MCV）显著增加，血红蛋白水平降低，出现大小不均和异形红细胞等贫血表征。RNA-seq发现血液和骨髓中DEG与造血、红细胞稳态和细胞骨架组织相关。MEMRI脑成像显示雌性Cistr^-/-小鼠扣带回和体感皮质等区域体积增大达12.5%，而雄性相应区域减小2.45%，呈现性别二态性。smRNA-FISH证实Cistr在发育早期大脑形态变化区域（梨状皮质、嗅球）表达。神经元尺寸测量发现梨状皮质多形层NeuN⁺神经元在Cistr^-/-小鼠中显著增大。

CISTR功能在物种间保守

人与小鼠RNA-seq数据的直系同源DEG比较发现，数十个细胞骨架组织、细胞连接相关基因（如FLNB、SEMA3A、CLDN1、CDH2、RND2等）在物种间保守差异表达。人胚胎干细胞来源的神经祖细胞（NPC）中CISTR敲除同样导致细胞增大和HOXA-D基因上调，进一步支持功能保守性。

CISTR与细胞形态基因在空间邻近共聚集

Hi-C分析显示CISTR基因座在≥31个Hi-C数据集中存在152个常见trans染色体接触，显著高于随机预期。这些接触区域富集ΔCISTR和CasRx实验中的DEG，提示CISTR通过空间邻近介导trans基因调控。dCas9邻近标记蛋白质组学发现CISTR基因座与FLNB、ACTR3等细胞尺寸调控蛋白，以及MTA2（NuRD复合物组分）、CHD2（染色质调控因子）等染色质相关蛋白互作。

CISTR RNA与细胞骨架组分和FOSL2互作

dCasRx邻近标记显示CISTR RNA与TUBB4A、UBR4等细胞骨架蛋白，以及转录因子FOSL2结合。RNA免疫沉淀（RIP）验证了CISTR-FOSL2相互作用。ChIP-seq分析发现野生型细胞中FOSL2在4638个基因位点的结合在ΔCISTR细胞中消失，且野生型特异性峰中富集FOSL2共识 motif。整合分析确定231个基因受CISTR-DNA、CISTR-RNA和FOSL2共同调控，这些基因富集于细胞尺寸控制和细胞骨架相关功能。

研究通过剂量过表达实验证实，CISTR和FOSL2均能剂量依赖性减小细胞尺寸，但无叠加效应，表明FOSL2可补偿CISTR缺失的功能。这表明CISTR通过与FOSL2在DNA和RNA水平的协同作用，在稳定的基因组拓扑结构框架下，调控跨染色体的细胞形态发生基因网络，从而精确控制细胞尺寸。

该研究首次揭示了一个lncRNA通过多机制模式调控细胞尺寸的完整通路：CISTR既通过其基因座参与形成跨染色体调控枢纽，又通过RNA直接引导FOSL2转录因子至靶基因，从而协调细胞形态发生相关基因的表达。这种DNA-RNA-蛋白质的多层次调控机制，解释了lncRNA如何克服化学计量不平衡实现精确基因调控。研究成果为贫血、皮质发育畸形、自闭症谱系障碍等细胞尺寸异常相关疾病的机制提供了新见解，也为lncRNA的功能研究建立了多模式作用范式。值得注意的是，CISTR在不同性别和物种中的表型差异，提示lncRNA功能可能具有高度环境依赖性，这为今后开展精准医学研究提供了重要思路。