由染色質調控的基因隱秘轉錄參與哺乳動物干細胞衰老

　　細胞老化有其獨特而明顯的分子表型特征，但其誘導機制尚不完全清楚，基因隱秘轉錄 (cryptic transcription) 便是其中之一。基因隱秘轉錄現象是指基因在某些突變體中或應激情況下，開始從本應該被抑制的下游“類啟動子 (promoter-like) ”區域起始轉錄，并產生與基因原功能不符或無意義的短轉錄本。此前，黨巍巍團隊發現隱秘轉錄現象會隨著酵母和秀麗隱桿線蟲的衰老而頻繁出現，且抑制其發生可顯著提升個體壽命。近年來雖然曾有過報道顯示在小鼠胚胎干細胞的一些基因的突變體中存在隱秘轉錄，然而這種現象在正常衰老的高等哺乳動物組織細胞中是否存在，仍然未知。

　　2021年8月2日，美國貝勒醫學院黨巍巍課題組于Nature Aging雜志發表了題為Altered chromatin states drive cryptic transcription in aging mammalian stem cells的研究論文。該研究運用多種轉錄組和表觀遺傳組測序技術，證實了基因隱秘轉錄是多種哺乳動物干細胞衰老共有的分子特征，并進一步發現染色質狀態的改變是基因隱秘轉錄的誘因之一。

　　團隊首先以人體間充質干細胞 (mesenchymal stem cell) 為研究對象, 通過分析RNA-seq外顯子轉錄、5’capped mRNA 5’-UTR測序(DECAP-seq)和RNA Pol2 ChIP-seq數據，確認基因隱秘轉錄隨細胞衰老增多，并精確定位了隱秘轉錄的起始位點。進一步研究發現，隱秘轉錄現象在多種衰老的哺乳動物細胞和組織中廣泛存在，包括小鼠的造血干細胞和衰老的人體原代成纖維細胞。有意思的是，隱秘轉錄僅在衰老小鼠激活的神經干細胞中存在，在靜息的神經干細胞中沒有發現。而且特別值得一提的是，在激活的神經干細胞中的隱秘轉錄具有顯著的性別差異。這一現象與神經發生在細胞增殖、抗壓等方面的性別差異類似。

　　隨后，通過對比年輕與年老細胞在全基因組DNA甲基化 (5mC) 和DNA 5-羥甲基胞嘧啶甲基化 (5hmC) 方面的差異發現，隱秘轉錄起始區域整體DNA甲基化水平下降，但去甲基化過程中間產物5hmC并未降低，且平均含量高于其他基因組區域。由于整體DNA甲基化水平是由DNA甲基化(de novo DNA methylation)和去甲基化(demethylation) 雙向調控，該區域的整體DNA甲基化水平下降是由減弱的DNA甲基化而非增強的DNA去甲基化所導致。而招募DNA甲基化酶的信號正是基因中部特異性的組蛋白共價修飾H3K36me3。

　　研究人員發現，與年輕細胞相比，在衰老細胞中，這些基因中部的隱秘轉錄起始位點的H3K36me3標記水平顯著降低，而H3K4me3、H3K4me1和H3K27ac等啟動子增強子的特異性標記都有不同程度的顯著增加，表明這些區域的染色質狀態發生了根本的變化。根據這些隱秘轉錄起始位點的表觀遺傳特征，研究團隊建立了可用于預測隱秘轉錄發生的表觀遺傳模型，并進行了驗證。值得一提的是這些隱秘轉錄起始位點在年輕細胞中就已經有對轉錄起始起關鍵作用的轉錄因子TBP的結合，說明這些區域的確被細胞識別為啟動子，只是在年輕細胞中染色質高H3K36me3、高DNA甲基化、低啟動子增強子標記的狀態決定了這些隱秘啟動子被抑制。而在衰老的細胞中該區域中抑制性的染色質被突破了，導致了隱秘啟動子的激活和隱秘轉錄本mRNA的表達。

　　目前，對于隱秘轉錄本的生理作用和對衰老細胞功能影響的認識仍然十分模糊。雖然抑制隱秘轉錄可以延長酵母細胞壽命，這樣的手段能否真正延緩哺乳動物干細胞的衰老、增強干細胞功能，仍然有待研究和驗證。此外，這些隱秘轉錄本如何影響衰老細胞的功能仍需進一步探索。

　　間充質干細胞在醫療中的應用潛力巨大，可分化成骨細胞、脂肪細胞和軟骨細胞等多種細胞，具有加速術后組織修復和抑制炎癥反應的效果。本項目首次將間充質干細胞衰老和基因轉錄異常現象關聯起來，揭示了基因隱秘轉錄現象的表觀遺傳學特征和相關分子機制，闡明了轉錄保真度在個體和細胞衰老中的重要作用，為延緩、甚至逆轉間充質干細胞衰老，提出了新的可能。

　　本文第一作者為貝勒醫學院Brenna S. McCauley博士和孫魯陽博士，其他研究人員包括貝勒醫學院俞若凡博士、劉海英技術員、MD安德森癌癥中心Minjung Lee博士、斯坦福大學Dena S. Leeman博士、德州農工大學黃韻教授、和布朗大學的Ashley E. Webb教授。