楊雪瑞課題組發(fā)現(xiàn)長非編碼RNA LETN控制細胞核仁形態(tài)與功能活性的關鍵作用
人類等高等哺乳動物基因組中包含大量長非編碼RNA（lncRNA），其中絕大多數(shù)功能未知。在數(shù)萬個lncRNA中，近年來的研究發(fā)現(xiàn)了數(shù)百個與多種細胞過程與生理功能相關的lncRNA，但在核心細胞過程中不可或缺，起決定性關鍵作用的lncRNA仍然非常少見。近期，清華大學生命學院楊雪瑞課題組首次發(fā)現(xiàn)了一個對于高增殖率細胞的核仁結構及功能至關重要的lncRNA，將其命名為LETN。研究還揭示了lncRNA LETN 與其互作蛋白NPM1之間的共進化關系，對于未來的lncRNA功能研究具有高度的啟發(fā)性。
lncRNA種類繁多，功能復雜多樣，缺乏研究基礎與先驗知識，因此在許多生物醫(yī)學研究中，面對眾多未知功能的lncRNA往往無從下手，難以快速產(chǎn)生可驗證且具有較大原創(chuàng)性的科學假說。楊雪瑞課題組的一個重要研究方向致力于癌癥系統(tǒng)生物學方法的開發(fā)。針對lncRNA功能研究的現(xiàn)實問題，他們聚焦腫瘤體系，使用公開的多種癌癥大隊列組學數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析了上千個lncRNA對于腫瘤中轉錄調(diào)控通路的影響，以此作為lncRNA生理功能的量化指標，并進行優(yōu)先級排序。此前，實驗室已經(jīng)使用類似的策略系統(tǒng)研究了單個lncRNA或RNA結合蛋白及全基因組的DNA甲基化位點參與的轉錄調(diào)控系統(tǒng)（Cell Reports，2019），并以此為基礎發(fā)現(xiàn)HNRNPC蛋白在乳腺癌細胞中控制內(nèi)含子Alu加工及內(nèi)源雙鏈RNA的累積并調(diào)控細胞免疫反應（The EMBO Journal，2018），發(fā)現(xiàn)lncRNA NEAT1通過控制轉錄因子AGRN驅動前列腺癌細胞周期（Cancer Research，2018）。
在本項研究中，楊雪瑞實驗室基于肝癌多組學隊列數(shù)據(jù)的計算分析發(fā)現(xiàn)RP11-196G18.22在所有l(wèi)ncRNA中排名第一，顯著區(qū)別于所有其它lncRNA，表現(xiàn)出非常強大且全局性的影響力。在這一線索的啟發(fā)下，研究團隊針對RP11-196G18.22展開了全面深入的功能與機制研究，最終發(fā)現(xiàn)其與NPM1蛋白互作，在高增殖細胞中扮演著不可或缺的關鍵角色，并將其更名為LETN（lncRNA essential for tumor cell proliferation via NPM1）。2021年1月11日，該成果以長文的形式發(fā)表于《細胞研究》（Cell Research），題目為“長非編碼RNA LETN與蛋白NPM1的互作控制核仁結構與功能以維持細胞增殖 “（Mutual dependency between lncRNA LETN and protein NPM1 in controlling the nucleolar structure and functions sustaining cell proliferation）。論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41422-020-00458-6
他們的研究發(fā)現(xiàn)LETN表達水平在多種腫瘤中上調(diào)，其通過與核仁蛋白NPM1的直接結合駐留在核仁中，并在促進NPM1五聚體的形成中起著至關重要的作用。核仁是真核細胞中非常重要的無膜細胞器，是核糖體RNA的轉錄、加工以及核糖體亞基組裝的場所，控制了細胞蛋白質合成、有絲分裂、壓力應激等多種生物學功能。腫瘤細胞及神經(jīng)前體細胞等快速增殖的細胞高度依賴于活躍的核仁功能，而核仁的功能與結構依賴于NPM1五聚體的形成。因此，LETN通過控制NPM1的寡聚化組裝，控制了核仁的正常形態(tài)與細胞功能，包括核糖體RNA合成及染色質凝聚等。
圖1.LETN的敲低嚴重破壞核仁中NPM1的組裝分布。
更進一步，從進化的角度看，LETN僅在人類及其它高等靈長類動物中出現(xiàn)，而NPM1蛋白也在高等靈長類動物中存在兩個特異的氨基酸位點突變。論文發(fā)現(xiàn)正是這兩個位點的突變導致NPM1產(chǎn)生對非編碼RNA LETN的高度依賴性。因此，論文提出LETN與NPM1可能存在共進化關系，這使得人類細胞的核仁調(diào)控出現(xiàn)了由lncRNA LETN執(zhí)行的新的調(diào)控層級。
圖2. NPM1蛋白兩個位點的人鼠差異導致人類細胞核仁中特異的LETN-NPM1互作。
清華大學生命學院博士生王顯騰為論文第一作者，楊雪瑞為論文通訊作者。課題組其他成員胡小林、宋婉璐、徐暉、肖正濤、黃榮耀等為本研究做出了重要貢獻，同濟大學沈沁課題組及北京協(xié)和醫(yī)院肝臟外科趙海濤教授為課題提供了大力協(xié)助。研究工作得國家重點研發(fā)計劃“精準醫(yī)學研究”重點專項、國家自然科學基金委、清華大學自主科研項目的資助。國家蛋白質科學研究（北京）設施（清華大學蛋白質研究技術中心）及清華大學生物醫(yī)學測試中心下屬基因測序與分析平臺、生物計算平臺、細胞影像平臺、蛋白質制備與鑒定平臺、功能分析平臺、蛋白質化學與組學平臺、細胞生物學平臺及清華大學實驗動物中心對本課題各項的分析與實驗提供了大力支持。
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