同濟康九紅組揭示非編碼RNA調控心肌分化和心臟發育過程的表觀遺傳機制

責編丨迦 漵

哺乳動物的心臟發育是一個多階段且受到嚴格調控的複雜過程，受到多種轉錄因子、染色質調控分子和信號分子在不同時間和空間上的共同精確控制，倘若此過程中的基因調控網路受到影響或中斷都將導致心臟疾病的發生【1】。因此，深入了解心肌分化和心臟發育過程中轉錄調節網路至關重要。胚胎幹細胞作為一類能夠在體外培養且具有完整發育全能性的細胞，是解析細胞命運決定和個體發育機制的重要工具。基於成熟的心肌細胞體外定向分化技術，使得我們在體外研究心臟的發生髮育過程成為可能，將有利於更好的理解心臟發育中的調控機制。

體外心肌定向分化過程中，胚胎幹細胞首先分化成中胚層細胞，再經歷細胞命運特化過程後形成心肌中胚層細胞以及心肌前體細胞，並最終形成具有自主搏動能力的心肌細胞。T-box轉錄因子Eomesdermin（Eomes）是起始心肌中胚層細胞分化的重要調控分子【2】，主要通過誘導心肌中胚層基因的高表達，但其如何實現轉錄調控的機制仍不清楚。研究顯示Mesp1是Eomes參與心肌中胚層分化的重要下游基因，其能夠抑制調控早期中胚層和內胚層基因的表達，在中胚層向心肌胚層的轉變過程中扮演了重要角色【3】，但目前Eomes如何精確調控Mesp1基因的機制尚不清晰。

2018年5月11日，同濟大學生命科學與技術學院康九紅教授課題組在Cell Stem Cell雜誌在線發表了題為A Linc1405/Eomes Complex Promotes Cardiac Mesoderm Specification and Cardiogenesis的研究成果。該文章著重揭示了胚胎幹細胞向心肌細胞分化過程中基因間長鏈非編碼RNA（lincRNA1405）通過聯合轉錄因子以及表觀修飾分子，實現精確調控下游心肌特化關鍵轉錄因子表達的重要機制。

近年來，長鏈非編碼RNA（lncRNA）的研究已極大地豐富了我們對於複雜的基因表達調控網路的認識。

在最新的這項研究中，研究人員發現了一條轉錄來自於Eomes基因鄰近區域且表達於胚胎心臟的lincRNA（linc1405），其能夠顯著影響胚胎幹細胞向心肌細胞分化的能力。進一步研究發現，在中胚層細胞分化階段，linc1405能夠結合Eomes蛋白並依賴於Eomes發揮其調節心肌分化進程的作用。研究還發現linc1405能夠介導組蛋白甲基化修飾複合物TrxG組分WDR5和組蛋白乙醯化酶GCN5形成新型的轉錄調控複合物結合到Eomes下游Mesp1基因的增強子區，引起Mesp1基因增強子區域表觀修飾環境（包括組蛋白甲基化和乙醯化水平）的改變，進而影響轉錄起始複合物在Mesp1基因轉錄起始位點的組裝，調節Mesp1的轉錄表達（下圖）。

此外，研究人員還確認了linc1405的第二個Exon是其介導轉錄因子Eomes和組蛋白修飾分子相互作用，並識別Mesp1基因增強子區，進而調節Mesp1表達和心肌細胞分化的關鍵功能片段。更重要的是，研究人員還發現linc1405和Eomes、表觀修飾分子WDR5和GCN5共同存在於小鼠胚胎的原條區域，而且缺失linc1405的第二個Exon的小鼠心臟在心室壁厚度LVW、室間隔厚度IVS、心臟射血分數EF和短軸縮短率FS相較於對照組都出現了明顯的不足，由此表明linc1405的缺失顯著損害了小鼠的心臟發育和心臟功能。

總的來說，該研究發現了一條對小鼠心臟正常發育密切相關的lincRNA分子，並揭示了其重要的體外機制和體內功能。這一由lincRNA主導形成調控複合物的機制的闡明，將能夠顯著增加轉錄因子與表觀修飾調控之間相互作用關係的複雜性和表觀調控特異性，完善對心肌分化中的表觀調控網路的認識，也為全面闡釋心臟發生髮育過程的分子作用關係提供更多的線索和依據。

據悉，同濟大學生命科學與技術學院康九紅教授為本文的通訊作者。郭旭東博士和博士研究生徐焱鑫為本文的共同第一作者。

參考文獻：

1. Murry, C. E., & Keller, G. (2008). Differentiation of embryonic stem cells to clinically relevant populations: lessons from embryonic development.Cell, 132(4), 661-680.

2. Van Den Ameele, J., Tiberi, L., Bondue, A., Paulissen, C., Herpoel, A., Iacovino, M., ... & Vanderhaeghen, P. (2012). Eomesodermin induces Mesp1 expression and cardiac differentiation from embryonic stem cells in the absence of Activin.EMBO reports, 13(4), 355-362.

3. Costello, I., Pimeisl, I. M., Dr?ger, S., Bikoff, E. K., Robertson, E. J., & Arnold, S. J. (2011). The T-box transcription factor Eomesodermin acts upstream of Mesp1 to specify cardiac mesoderm during mouse gastrulation.Nature cell biology, 13(9), 1084.

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