上海生科院揭示长非编码RNA对节律基因的调控机制

3月8日，《核酸研究》（Nucleic Acids Research）期刊在线发表了中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心、中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所严军研究组题为A class of circadian long non-coding RNAs mark enhancers modulating long-range circadian gene regulation 的论文。该项研究揭示了一类节律表达的长非编码RNA（lncRNA）标记了基因组上可以介导长程染色质相互作用的增强子，并通过这种相互作用调节了节律基因的表达。

昼夜节律（circadian rhythm）是一种24小时的周期性生理现象，可以通过在转录水平、转录后水平等多种层次上调控基因表达，来调节动物的许多生理与行为过程。lncRNA是一类长于200碱基的非编码RNA，它们具有很强的组织特异性，已被发现在诸如基因组印记、细胞周期、肿瘤发生等多种过程中发挥作用。以往节律基因的调控主要集中在蛋白编码基因，虽有个别节律表达的lncRNA被发现，但缺乏对节律lncRNA的系统性研究；因此在该研究中，严军研究组以小鼠肝脏组织为主要对象，系统地寻找了节律表达的lncRNA并探索了它们的节律调控功能。通过肝脏组织RNA-seq，研究者们系统性地拼接注释了肝脏中表达的lncRNA，并筛选出在一昼夜中节律表达的lncRNA。通过分析组蛋白修饰信号标记的增强子区域，发现节律lncRNA显著富集出现在增强子区域，显示出两者的关联，并且这些区域有两个非常重要的节律转录因子BMAL1和REV-ERBα的结合位点。节律lncRNA在增强子区域的富集不止存在于小鼠肝脏，在小鼠胰腺和大鼠肝脏中都有发现这种关联。这些节律lncRNA与附近基因在一天中的表达有非常相似的节律相位和非常高的相关性。通过比较lncRNA与蛋白编码基因的亚细胞定位，发现lncRNA的表达量在细胞核中的富集程度要高于蛋白编码基因（如图A所示），但低于增强子RNA（eRNA）。此外，通过大鼠和小鼠节律转录组的比较分析，发现虽然lncRNA的序列本保守性较低，但节律lncRNA转录的位点仍然是趋向于保守的。研究人员找到一个候选节律lncRNA，命名为lnc-Crot，通过环形染色质构象捕捉技术（4C-seq）发现lnc-Crot所在的这个超级增强子区域与染色质上许多基因有长程相互作用（如图B所示），而这些基因许多都参与代谢过程，且节律峰点富集在与lnc-Crot峰点接近的时间，表明这些相互作用在基因功能和节律表达上的作用。进一步在细胞系中的实验中发现lnc-Crot的增强子介导了结合在其上的转录因子REV-ERBα的调控功能。该研究以组学的手段对节律lncRNA系统性的分析揭示了节律lncRNA标记了一类活跃的增强子，这些增强子通过长程相互作用调控基因的表达，这种长程相互作用相对稳定，但通过结合在其上的节律转录因子实现对基因的节律调控(图C)，这些节律lncRNA的注释也为进一步探索它们在节律中的功能打下了基础。

该项工作主要在研究员严军指导下，由范增华、赵蒙以及其他人完成，并由军事医学科学院赵志虎研究组及德国马普学会生物物理化学所Gregor Eichele组参与，受到中科院战略性先导科技专项经费（XDB02060006）和国家自然科学基金（31571209, 31370762）等项目的支持。