1、研究背景

RNA结合蛋白（RNA Binding Protein，RBP）在转录后的剪接加工、修饰、转运、细胞定位、稳定性、翻译和降解等RNA代谢过程中发挥着重要的调控功能，但近来对RNA可交联蛋白质的观察揭示了大量的经典和非经典RBP。目前已知一些典型的DNA结合蛋白能够结合RNA，现已扩展到许多转录因子（Transcription Factors , TFs），例如CTCF; DNA损伤修复酶，例如XRCC5 / Ku80，以及转录复合物，例如PRC2。保守估计人类基因组目前编码的RBPs多达1500种，鉴于哺乳动物细胞中存在如此巨大的RBP库，现在需要研究和探索它们新的功能。而且越来越多的证据表明，转录调控和染色质活性在很大程度上涉及调节类的RNA，尽管多个RBPs与转录调控有关，但其在转录水平的调控功能和机制尚不清楚。

武汉大学肖锐研究员与美国加州大学圣地亚哥分校（UCSD）付向东教授课题组研究成果荣登国际顶级期刊Cell杂志，该研究刷新了我们对RNA结合蛋白的传统认知，揭示RNA结合蛋白是一类新的转录因子或辅助因子的新概念，可通过RNA依赖的染色质相互作用直接参与转录调控，开辟了RNA结合蛋白功能研究的新领域。肖锐研究员为共同第一作者和通讯作者，加州大学圣地亚哥分校陈加余博士和梁征宇博士为共同第一作者，付向东教授为共同通讯作者。该论文的共同作者还包括武汉大学周宇教授和罗大极副教授、清华大学鲁志教授、张奇伟教授和陈阳助理研究员、厦门大学刘文教授、美国MIT Christopher Burge教授、UCSD Gene Yeo教授和康涅狄格大学Brenton Graveley教授和加拿大蒙特利尔大学Eric Lecuyer教授。

 

2、研究内容及结果

➤1、RNA结合蛋白与染色质有广泛的相互作用

针对特定RBP参与转录和共转录RNA加工的这一新兴领域，付向东等团队参加了ENCODE项目，分别在HepG2和K562细胞上挑选了有特异性抗体且有核定位的58和45个RBP，并通过ChIP-seq（染色质免疫沉淀测序）技术大规模检测，肖锐研究员等意外地发现约60%的RNA结合蛋白与染色质有广泛的相互作用，并且富集在基因启动子和增强子区域。

Figure 1.General Features of Chromatin-Associated RBPs.

➤2、RBP启动子结合活性的特异性和保守性

该研究目前只检测了人类基因组中不到5%的RNA结合蛋白（目前RBPs大概有1500种），却发现约40%的活性染色质区域和约80%的活性启动子区域都存在RNA结合蛋白的特意性结合，这提示RNA结合蛋白在染色质水平存在着广泛的功能和作用。

Figure 2.Distinct RBP-Chromatin Interaction Patterns on Different Promoter Classes.

➤3、启动子相关RBPs在不同基因表达水平中的作用

作者在HepG2细胞中进行RBP基因敲除，比较基因表达在稳态前后的变化，通过GRO-seq（Global Nuclear Run-On测序）技术和RNA-seq技术发现野生型细胞系大多数RBP与启动子的相互作用与靶基因转录活性相关，基因敲除后，几乎所有的RBP都在稳定状态下影响基因表达。为了进一步判断诱导基因表达是否与他们的启动子相关，作者通过GRO-seq证实至少有6个RBP(RBM22, XRCC5, RBM25, HNRNPK, HNRNPLL和 U2AF1)直接参与了转录调控过程。

Figure 3.Correlation between RBP-Promoter Interaction and Gene Expression.

➤4、RBPs与TFs在人类基因组中的交互作用

通过NMF（Negative Matrix Factorization）方法进一步分析获得的高质量RBPs ChIP-seq数据与相同细胞系中可利用的TFs ChIP-seq数据，揭示了许多共同结合事件，从而为TFs和RBPs的协同作用提供了证据。此外，研究发现RBPs如同TFs一样偏向于结合人类基因组中HOT（High-occupancy Target）区域。

Figure 4.Integrated Analysis of Chromatin-Associated RBPs and TFs in HepG2 Cells

➤5、YY1和RBM25在转录中的功能协同作用

该研究重点阐释了RNA结合蛋白RBM25（参与剪接调节的RBP）通过调控转录因子YY1（已知的RNA依赖性TF）与染色质的结合，进而调控染色质结构和转录激活与抑制的分子机制，RBM25耗竭减弱了所有YY1依赖性活性，包括染色质结合，DNA环化和转录，全面展示了特异性的RNA结合蛋白介导的转录因子YY1的功能调控作用。

Figure 5.Co-regulation of Gene Expression by YY1 and RBM25 in HepG2 Cells.

 

文章小结

该研究通过大规模RNA结合蛋白 ChIP-seq分析，证实了RNA结合蛋白广泛存在于人类基因组中的活跃染色质区域。与转录因子一样，RNA结合蛋白同样显示出对基因组中HOT区域的强烈偏好，特别是基因启动子，其中它们的关联通常与转录输出相关。同时发现提出了RNA结合蛋白作为转录因子或辅助因子调控转录的新概念，开辟了RNA结合蛋白功能研究的新领域，刷新了我们对RNA结合蛋白的传统认知。