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基础医学院梁洪青/张丹课题组揭秘ERV不同亚家族在人类早期胚胎中的特异性调控机制和功能

编辑:林海燕 来源:基础医学系 时间:2022年08月25日 访问次数:10  源地址

  转座子(Transposable elements, TEs)是一类可以在基因组移动的DNA序列,是人类基因组的重要组成部分(占比接近43%, 分为DNA 转座子和逆转座子。内源性逆转录病毒(ERV)是逆转座子的一个主要分支,可能是进化过程中逆转录病毒感染宿主并整合至宿主基因组的产物,ERV在哺乳动物基因组中大量扩增,虽然目前大都失去了转座能力,但其残留在基因组中的序列仍以不同方式影响着基因组的结构和基因的表达。根据DNA序列的差异ERV又分为不同的亚家族,它们与哺乳动物的配子形成、早期胚胎发育、免疫疾病、神经系统疾病和肿瘤发生等具有高度相关性,可能广泛参与发育和病理条件下的转录调控过程。然而目前针对ERV不同亚家族的特异性调控机制及其对细胞状态和功能的影响相关的研究还非常有限。

  2022823日,浙江大学基础医学院梁洪青/张丹课题组、浙大爱丁堡大学联合学院刘琬璐课题组以及广东省实验室Yun-Shen Chan课题组联合在Cell Reports上发表题为Krüppel-like factor 5 rewires NANOG regulatory network to activate human naïve pluripotency specific LTR7Ys and promote naïve pluripotency的长文,揭示了人类胚胎植入前后分别活跃表达的LTR7YLTR7,作为HERVH亚家族的两个不同LTR元件,是如何分别被naïveprimed转录调控网络特异性激活,并调节不同多能性状态干细胞的发育潜能。



  人类早期胚胎的单细胞转录组分析数据显示,在不同胚胎发育阶段, ERV不同亚家族成员具有胚胎阶段特异性的激活。其中在植入前和植入后囊胚,以及分别对应的naïveprimed多能性干细胞中,LTR7YLTR7分别被激活。该研究通过筛选,鉴定了KLFs家族的KLF4/KLF5可以特异性激活基因组中的LTR7Y拷贝,但并不能激活LTR7相关拷贝。

  研究人员进一步联合运用RNA-seqChIP-seqCUT&Tag以及ATAC-seq等多组学技术,发现LTR7YLTR7的序列虽然高度保守,但其中具有KLF5保守结合位点的差异;这使得LTR7Y可以被KLF5NANOG共同结合,而LTR7只能被NANOG结合。进一步的实验证明,在primednaïve多能性转变的过程中,KLF5可以重塑NANOG的结合偏好性,将其从primed特异的LTR7位点上,转移至naïve特异的LTR7Y位点上。在这一过程中,KLF5发挥了先驱因子的作用,通过增强LTR7Y区域的染色质开放性,招募NANOGP300LTR7Y上的结合,从而在naïve状态激活LTR7Y

  更有意思的是,naïve多能性状态下KLF5对于LTR7Y的激活可以增强LTR7Y周围naïve多能性基因的表达。这些基因中包含了滋养外胚层的关键转录调控因子。研究进一步通过CRISPR激活和抑制实验证明,对LTR7Y位点的操纵可以影响部分KLF5下游滋养外胚层相关基因的表达。同时CRISPRaLTR7Y的激活也可以加速胚胎干细胞向滋养外胚层的分化。



  综上,本研究以植入前和植入后囊胚分别开启的LTR7YLTR7为对象,深入研究并发现了KLF5NANOG协同并特异性激活LTR7Y顺式调控功能,从而促进人类naïve多能性,并拓展了胚胎干细胞向滋养外胚层细胞分化的潜能。这不仅对于理解不同ERV亚家族在人类早期胚胎发育中特异性调控功能具有重要意义,也提示了从ERV角度理解人类滋养外胚层功能与胚胎植入失败等临床问题的新研究视角。

  浙江大学博士生艾志鹏相欣雨向阳泉,医学院附属妇产科医院钱羽立副主任以及新加坡基因组研究所Iwona Szczerbinska博士为共同一作。特别感谢浙江大学杨小杭教授、马骏教授、陈迪、徐鹏飞和许志宏研究员等的支持和帮助。

  原文链接:https://doi.org/10.1016/j.celrep.2022.111240 

 


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