文摘
多能干细胞已经被认为代表了一种独特的干细胞,他们能够无限期地自我更新和有可能分化成任意阶导数的三个胚芽层。因此,人类胚胎干细胞(为)和人类诱导多能干细胞(hiPSCs)提供一个独特的机会来研究人类胚胎发生和最早的步骤,同时,巨大的治疗利益。多能性的分子机制是一个主要的研究领域。最近的证据表明,转录因子的复杂网络,染色质监管机构,非编码rna存在于多能细胞调节自我更新和multilineage分化之间的平衡。监管非编码rna分为两种类型:短期和长。第一节课包括小分子核糖核酸(microrna)参与的转录后的调控细胞周期,在已经被分化。相反,长非编码rna (lncRNAs)代表一个异构群长转录调节基因的表达在转录和转录后的水平。在本文中,我们专注于维护lncRNAs所扮演的角色的多能性,强调lncRNAs之间的相互作用已经被监管机构和其他关键。
1。介绍
长非编码RNA (lncRNAs)是指一个异构类的RNA聚合酶II (Pol II)记录大于200个核苷酸长度没有明显的蛋白质编码能力(1,2]。他们一般都是从multiexonic拼接的前兆,封顶,腺苷酸,和局部细胞核,细胞质,或两者兼而有之(2,3]。基于转录位点的解剖特性与相邻基因的关系,lncRNAs intronic可以分类,基因间,或重叠(在意义上或反义方向)记录。尽管lncRNAs不如mRNA守恒和小非编码rna (4,5),缺乏保护并不意味着缺乏功能(6]。事实上,记录长度和多功能性的核糖核酸碱基对让这些分子折叠成复杂的二级结构(7,8],点缀着更长时间和更少的守恒的核苷酸序列。突出了开创性研究[1,6),这些结构允许lncRNAs同时与多个复合物,从而协调他们的活动。
尽管只有lncRNA成绩单已经机械化特征的一部分,几项研究已经表明lncRNAs参与不同的过程与正常生理和/或相关疾病(4,6]。波尔II成绩单,lncRNA表达式可以严格监管。事实上lncRNA成绩单是在全球范围内更多的组织比蛋白编码基因表明潜在的角色指定特定细胞身份(9,10]。
lncRNAs的胞内定位预测的作用方式(6,10]。通常,核lncRNAs可以指导染色质修饰复合物特定基因位点和/或作为分子支架缆索一起不同功能相关复合物(11,12]。由于他们的内在能力与其他核酸碱基对,两者兼而有之独联体代理(邻近基因)和反式代理(在遥远的位点)lncRNAs可以产生专制或推广活动协调目标基因的蛋白质和RNA相互作用[12- - - - - -14]。基于著名的例子(12),核lncRNAs可以发挥其监管作为诱饵通过滴定离染色质转录因子和其他蛋白质(15- - - - - -17]。lncRNA熊猫作为范例,损耗的大幅增加目标基因NF-YA入住率的核转录因子,引发细胞凋亡在DNA损伤(17]。lncRNA绑定在DNA可以通过招聘启动异染色质的形成DNA和组蛋白甲基转移酶(如组蛋白H3赖氨酸27日H3K27,和甲基转移酶复杂PRC2),导致基因表达的镇压。相反,可以诱导转录激活招聘不同的染色质修饰符,比如H3赖氨酸4,H3K4甲基转移酶MLL1,或通过改变3 d染色质构象(12,13]。在独联体代理的物种,enhancer-associated ncRNAs(厄纳)功能基因激活的转录参与很多项目。特别是,他们在针对核染质的再塑造发挥着根本性的作用复合物形成特定的启动子和协助染色质循环(18]。使用一个集成的外遗传性筛查,Ounzain和他的同事们最近建立了一个目录enhancer-associated动态非编码rna表达的ESCs期间心脏分化(19]。这些记录的表达与基因组接近目标基因的表达。有趣的是,厄纳的表达抑制当目标mrna达到最大水平。总的来说,这些数据给出了重要贡献心脏厄纳对心脏功能的影响发展和损伤后的心脏重塑。
其他一些lncRNAs本地化在细胞质中,在那里他们可以调节基因的表达通过碱基配对互补的区域目标rna。在人类,一些细胞质lncRNAs transactivate Staufen1-mediated mRNA复式衰变的3′utr通过合金元素(20.]。另一个例子是由β网站APP-cleaving酶1 BACE1-AS反义RNA,结合BACE1信使RNA诱导其稳定。通过调节BACE1表达,非编码RNA在控制过程中发挥作用的界限生理学和病理学开车阿兹海默氏症(21]。碱基配对原则,适用于竞争lncRNAs内源性RNA(龙头)活动(22]。在这种情况下,lncRNAs可以间接地增强蛋白质翻译隔绝,或“骗取”,microrna mrna,否则会抑制他们的目标。这种机制已被证明是参与分化和癌症(22,23]。最后,一种特殊的类的骗取lncRNAs由圆形rna (circRNAs) [24,25),他的不寻常的循环结构可以提高稳定性。,这些不同的属性产生lncRNAs通过不同的行动模式运作,发挥广泛的功能在不同的生物过程。
胚胎干细胞(ESCs)在体外对应多能外胚层的胚泡,是一个有用的系统研究多能性的分子机制的基础。一组转录因子(TFs),包括OCT4、NANOG, SOX2,已被建议作为ESCs的核心监管电路(26]。这些是多能性因素,确保适当的维护的相关基因的表达未分化状态。同时,他们抑制许多基因,在随后的发展中发挥作用。这样发育基因,然而,通常保存在一个沉默但建立“准备”状态的二价染色质域,在组蛋白的标记与标记相关的活跃转录(共存27]。现在越来越清楚,核心多能性TFs在音乐会和microrna lncRNAs [28- - - - - -30.]。microrna的家庭中发挥作用的一个例子之间的十字路口多能性和分化是mir - 302家族31日]。在其他活动中,mir - 302调节受体激动剂和拮抗剂的TGF之间的平衡β/ BMP信号,这是一个关键途径维持多能性和分化之间的选择32]。在的ESCs, mir - 302的活动由let-7中和,一个反对microrna的家庭,扮演prodifferentiative角色(33]。其他microrna也促进分化通过瞄准多能性因子或染色质修饰符(28]。在本文中,我们关注最近的证据表明lncRNAs也扮演着重要的角色在多能性的维护。
ESCs代表了很长一段时间唯一的人类早期发展系统模型。最近,诺贝尔奖一事推导的诱导多能干细胞(万能)提供了一个替代来源的多能细胞(34]。可以来源于人类体细胞成年细胞的细胞则通过重组过程组成的异位表达因素定义。作为他们的推导过程需要一个简单的皮肤活检(或血液抽样),人类则克服道德和立法问题,限制了研究基于人类的ESCs(为)。重要的是,生成的细胞则从人类遗传病患者再生医学和代表一个有前途的工具在体外疾病建模。
2。在胚胎干细胞lncRNA签名
至于蛋白编码基因和microrna [31日),多能干细胞组lncRNAs表达特征。ESCs的lncRNA鼠标的签名(制)定义了微阵列分析35)和积极转录基因的全基因组染色质标记的映射,如组蛋白H3 trimethylation赖氨酸4 (H3K4me3)启动子加上trimethylation赖氨酸36组蛋白H3的转录区域(K4-K36域)(36]。通过全垒打et al。35)确定几个lncRNAs扩散制中差异表达和诱导造血分化。分析K4-K36域以外的已知蛋白质编码基因座允许格特曼et al。36)确定在一千年写的小说《lncRNAs制和体细胞。目录制lncRNAs就扩大了包括物种转录从相当大一部分基因不K4-K36域,由计算方法,允许从RNA-Seq整个转录组数据的重建(圣经)37]。这些lncRNAs可能监管的重要子集ESC在转录水平的核心TFs [29日,38]。
ESCs的鼠标,K4-K36域分析允许最初的识别特征的一组lncRNAs基因表达在人类的ESCs [39]。这个列表是进一步扩展从RNA-Seq通过集成数据分析(4]。更详细的描述表明,一些人类lncRNAs可以直接控制下的核心多能性TFs [40,41]。
3所示。lncRNAs在维护中发挥作用的ESCs的多能性
越来越多的证据指向lncRNAs所扮演的重要角色在维护ESC自我更新(多能性),从而防止其分化。在大规模的功能研究中,超过90%的个人击倒lncRNAs测试(147)转录组的显著的扰动引起的,经常导致的损失公司的多能性(29日]。有趣的是,lncRNAs参与维护ESC自我更新通常由核心多能性TFs和转录监管在监管网络。这种机制的例子包括AKO28326 / GOMAFU MIAT (OCT4-activated)和AK141205 (NANOG-repressed) lncRNAs,当改变导致OCT4 NANOG水平和健壮的变化影响制的多能性38]。lncRNA金枪鱼/功夫熊猫那样的影片需要一定制扩散和维护自我更新(5]。金枪鱼结合组成的一个复杂的几个rna结合蛋白和转录激活NANOG和SOX2在绑定的发起人(42]。核心TFs, lncRNAs报告之间的相互作用也在为其lncRNA_ES1, lncRNA_ES2, lncRNA_ES3 [40]。综上所述,这些例子表明,lncRNAs参与维护未分化状态和遗传程序直接血统的镇压在分化的承诺。
现在的挑战是解剖这些ESC lncRNAs功能的分子机制。从力学上看,核lncRNAs可以通过绑定和发挥其功能调节的活动和/或目标特异性chromatin-modifying因素。已经表明,ESC lncRNAs与所有类的组蛋白修饰符(作家、读者,和橡皮擦),以及其他chromatin-associated蛋白(29日]。这是符合这些长记录的可能作用分子支架桥不同染色质修饰复合物(11]。最近的例子支持假设lncRNAs可能至关重要的监管机构的活动至关重要的染色质修饰符,它起着关键作用的表观遗传调控的ESCs多能性和分化。基因组分析发现了大量的潜在lncRNA扶少团团员PRC2制和有点滥交的rna结合活动这个复杂的建议(43,44]。最近的工作建议lncRNA绑定可能是重要的调节PRC2与其代数余子式的相互作用,从而调节其活性和/或特异性。这样的代数余子式JARID2之一,属于JUMONJI家族的赖氨酸demethylases(主要决策者)。JARID2特有的催化域作为其KDM是不活跃的,它特别丰富的ESCs调节PRC2活动和基因组入住率(45,46]。它最近表明,JARID2含有rna结合地区和直接与大约100之前注释lncRNAs在制47]。特别有趣的,其中扶少团团员MEG3(也称为GTL2),瑞安,MIRG lncRNAs 12号染色体上编码在一个印迹位点qf1,称为Dlk1-Dio3基因簇。需要适当的表达这些lncRNAs胚胎发育(48,49在重组),实现完整的多能性,因为携带异常沉默Dlk1-Dio3集群基因的细胞则是无法满足严格的多能性测试,如对荒唐的老鼠发展和互补的四倍体胚泡(50]。功能,绑定JARID2 MEG3和其他Dlk1-Dio3基因簇lncRNAs可能调节PRC2在多能干细胞的活性。全基因组分析确实表明Meg3刺激PRC2入住率在反式在基因组位点编码因素在分化和发育44]。这些基因在人类iPSC脱阻抑的线条表达低水平的MEG3,表明进化守恒MEG3-JARID2轴。机械化、MEG3和其他lncRNAs作为支架增加EZH2 JARID2和PRC2核心组件之间的交互,因此,PRC2组装在染色质JARID2目标网站。此外,有人建议,这些lncRNAs也可能引导PRC2 / JARID2特定目标的初始招聘网站在多能细胞通过rna dna碱基对(47)(图1)。
(一)
(b)
Trithorax集团(TrxG)因素,包括哺乳动物MLL复合物,通过H3K4me3积极调节转录。这个活动需要维持的ESCs的多能性。特别是WDR5 MLL复杂的成员直接与核心交互转录监管电路及其损耗原因失去自我更新(51]。利用RNA结合的缺陷突变体,杨和同事最近表明,RNA对WDR5至关重要的交互活动(52]。的半衰期WDR5突变蛋白在细胞核中减少与野生型相比,表明RNA结合积极调节蛋白质的稳定性。超过1000个rna可能绑定WDR5 ESCs,包括23之前注释lncRNAs。在这些扶少团团员,六个以前确认为lncRNAs需要维持多能性在制29日),提供一个机械的解释功能。WDR5还结合两个lncRNAs互动的推动者,lincrna - 1592和lincrna - 1552,暗示独联体调节机制(49]。lincrna - 1552表达可能在许多多能性转录因子的直接控制下,包括OCT4、NANOG, KLF4绑定其启动子,和它的降价会导致misexpression OCT4、NANOG在其他mrna (29日]。这些证据,加上自我更新细胞中表达的障碍rna结合不足WDR5突变(52),表明lncRNAs Trithorax复杂相互作用起到至关重要的作用在维护ESC多能性(图1)。
lncRNAs和Trithorax复合物之间的相互作用也可能直接规范对特定细胞命运的ESCs分化。同源转化的基因Hoxa6和Hoxa7参与规范的中胚层组织和器官(53,54]。Bertani和他的同事证明了lncRNA米斯特拉尔(米拉)介导的转录激活Hoxa6和Hoxa7通过招募MLL基因染色质(55]。MIRA-mediated激活Hoxa6和Hoxa7高潮的基因表达参与早期胚芽层区分公司的规范。lncRNA参与公司的分化的另一个有趣的例子是pRNA,本地化的核仁(56]。在多能干细胞,染色质转录宽容开放的国家和全球变得越来越浓缩和转录抑制分化(了57])。染色质凝结也发生在核糖体基因和由pRNA,隶属于核仁的阻遏因子TIP5 / BAZ2A核糖体DNA (rDNA) [56]。有趣的是,pRNA过度导致异染色质也增加rDNA之外,启动全球后生改造通常分化期间观察到的。
除了核ESC lncRNAs,硬币的另一面,更少的例子存在细胞质lncRNAs控制多能性。在重组过程的初始步骤,多能性细胞启动转换必须躲避抑制障碍,如细胞周期阻滞、衰老和凋亡,上调p53激活的超表达重组因子(58]。因此,p53活动的任何变化将影响重组的效率通过限制细胞的数量进入过程。在这种背景下,细胞质linc-RoR(重组的监管机构)最初被确定为lncRNA能够推动重组进程(41]作为负调节的p53 [59]。随后,王先生和他的同事们表明,内生linc-RoR也起着关键作用在维护hESC自我更新,作为龙头(60]。已有研究表明,一个microrna, mir - 145,抑制翻译的核心TFs在ESC分化(61年]。根据王的模型等,在人类的ESCs linc-RoR陷阱mir - 145, derepressing翻译的核心多能性转录因子OCT4、SOX2, NANOG和确保适当的未分化hESC的表达水平。分化后,消失的linc-RoR释放mir - 145,允许它抑制核心多能性因素的翻译(41]。因此,这项工作强烈支持linc-RoR充当一个microrna的海绵。OCT4以来,在转录水平上,压制mir - 145和激活linc-RoR,这些研究瓦解一个有趣的网络,包括TFs,长期和短期监管rna行为在自我更新和分化(图之间的十字路口2)。
最近,鲍和他的同事们(62年]表明,lincRNA-p21核非编码记录之前作为全球p53-dependent转录抑制因子的特征级联(63年),代表lncRNA调节多能性的另一个例子。有趣的是,在体细胞重编程的背景下,lincRNA-p21抑制这一过程没有诱导细胞凋亡或损伤细胞增殖。它被确认在鼠标功能筛选执行检查事件伴随pre-iPSCs万能转换。这是晚了一步,要求实现自我维持完全重新编程状态,成为独立的细胞活动的外源性重组因子,打开内生的表达多能性监管机构(64年]。三个lncRNAs,包括lincRNA-p21 pre-iPSCs万能转换有负面影响。从力学上看,lincRNA-p21建议维持多能性基因启动子的异色的状态与HNRNPK交互。HNRNPK lincRNA-p21一起将形成一个高压复杂能够保留H3K9me3和启动子的CpG甲基化等关键多能性监管机构Nanog, Sox2, Lin28 [62年)(图3)。除了lincRNA-p21,只有有限的例子核lncRNAs通过控制DNA甲基化调节基因表达。在最近的一篇论文中,王先生和他的同事报道喑哑的识别,发展pluripotency-associated 2 (Dppa2)上游绑定肌肉lncRNA [65年]。LncRNA Dum发现周边基因Dppa2沉默独联体种能阻碍Dnmt3b招聘Dnmt1 Dnmt3a和启动子。尽管引用工作主要集中在肌原性的分化,人们很容易推测类似的监管机制也可能在多能细胞中发挥作用。Dppa2是高纯度的多能细胞,激活内源性Dppa2在后期重新编程的步骤具体标志着小子集将实现完全的多能性的细胞,Nanog Dppa2-mediated诱导的转录是一个关键事件(66年]。因此,这将是非常有趣的在未来,评估是否lncRNA Dum调节通过调制Dppa2重新编程的关键步骤。
4所示。结束语
ESCs和万能干细胞的多能性是一个独特的属性,这是唯一的细胞类型可以进行无限自我更新和分化成衍生品的三个胚芽层。多能细胞因此表示理想候选人解剖早期胚胎发育的机制和潜在的再生医学治疗的工具。针对病人的细胞则还提供在体外平台人类疾病模型和试验药物的临床前研究。这种潜在的应用,然而,次级多能性的分子机制的深入理解。
转录因子的乐团,染色质监管机构、信号传感器,microrna和lncRNAs在多能细胞发挥协调。每个人都不能被视为一个单独的球员。复杂网络和反馈回路存在监管因素的占每个类的成员。大量增加的transcriptome-wide分析,通过最近的新一代测序技术的进步,发现了一个宇宙的长非编码记录。虽然没有普遍共识的全球影响的程度lncRNAs细胞调节的身份和分化,一些例子中选择lncRNAs已经更深入地分析了存在。正如本文所讨论的,至少一个子集的已知lncRNAs一样重要之前定义的“核心转录因子”的多能细胞(表1)。功能研究的缺乏与注释的数量形成鲜明对比的是lncRNAs(千)中特别丰富的ESCs和/或描述为扶少团团员的至关重要的多能性监管机构,如Polycomb和Trithorax复合物。我们预计,在不久的将来,大幅增加功能的研究描述新的例子lncRNAs代理在网络与其他主监管机构的定义多能性状态。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
作者感谢教授。Bozzoni有用的讨论和j·休斯的批判阅读论文。这项工作部分Sapienza大学提供资助(C26A14EH5H) AR和巴斯德研究所基金会Cenci-Bolognetti MB。