Nat Genet ：揭示RNA在调控PRC2基因组分布和组蛋白修饰中的关键作用

表观遗传在生长发育中有着至关重要的作用。同一个生物体内的所有细胞的DNA序列完全相同，而各种细胞的功能和表征却各不相同。这真是因为各种表观遗传因子在胚胎发育和细胞分化中发挥作用，在不同的细胞内打开或者关闭不同基因的表达。在这个过程中，生物体是如何准确控制这些表观遗传因子的功能，以至于它们可以准确地打开或者关闭特定基因的表达？这正是生命的美妙之处，也一直是一个科研难题。

近15年以来，RNA被发现是调控表观遗传因子的一个重要元素。RNA在细胞内有着其他重要功能：比如说mRNA是遗传信息的载体，把遗传信息从DNA传到蛋白质序列；tRNA在这一过程中专职解码mRNA，直接把对应的氨基酸准确带入；rRNA是这一翻译过程场所-核糖体的最重要成员，并且作为酶（ribozyme）直接催化肽键的形成；RNA可以直接独立地作为核酸酶（ribozyme）催化化学反应，Sidney Altman和Tom Cech因此发现拿得了1989年的诺贝尔奖。除了以上RNA的传统功能之外，近15年以来科学家对非编码RNA尤其是长链非编码RNA（lncRNA）的研究，开创了一片新的领域：很多lncRNA被发现有调节表观遗传因子，从而控制特定基因表达的作用，而这些作用常常在发育和疾病中至关重用，虽然也经常面临着长期争议。

RNA是如何调控表观遗传因子的呢？这个领域的研究在一个关键的表观遗传抑制蛋白复合体上异常火热，这个蛋白复合体便是大名鼎鼎的Polycomb Repressive Complex 2（PRC2）。PRC2是一个由至少四个蛋白（EZH2，SUZ12，EED，RBBP4）聚合成的复合体，它负责修饰组蛋白H3的一个关键赖氨酸（K27）的甲基化。这一个小小的甲基化修饰（H3K27me3）控制着大量的细胞分化和个体发育相关的鼎鼎大名的转录因子（transcription factor）的准确表达。PRC2到底是如何准时准地的甲基化修饰各种转录因子呢？RNA可能是一个重要的调控因素。不少研究阐明PRC2在细胞内和大量RNA（包含很多lncRNA）结合，但是这些RNA-PRC2相互作用到底有没有功能一直存在争议，甚至今天要介绍的这篇文章的通讯作者，大名鼎鼎的诺奖得主Tom Cech在2013年的一篇NSMB的文章里面对RNA调控PRC2的研究也是处于疑虑不确定的状态，这篇文章的标题用了一个词promiscuous来形容相关研究，读者可以体会，而且对于非编码RNA的研究对象也是名噪一时的HOTAIR。

科罗拉多大学Tom Cech实验室和John Rinn实验室的研究人员合作在Nature Genetics杂志上发表文章RNA is essential for PRC2 chromatin occupancy and function in human pluripotent stem cells，阐明了RNA在调控PRC2基因组分布和准确修饰组蛋白中的关键地位，同时发现RNA-PRC2相互作用对于干细胞到心肌细胞分化有着关键的作用。这篇文章的一作是Tom Cech实验室的龙伊成博士和John Rinn实验室的Taeyoung Hwang博士。

研究人员首先在传统的染色质免疫沉淀实验（Chromatin Immunoprecipitation，简称为ChIP）中，加入了RNA降解酶（RNase A），以用来降解可能和染色质结合的RNA。他们惊奇地发现在加入RNA降解酶之后，PRC2复合体的两个重要蛋白EZH2和SUZ12从染色质上脱落了下来，不再准确地结合到各种发育相关的转录因子基因上了。与之相比，对照蛋白TBP（TATA box binding protein）和Rpb1 （RNA聚合酶 Pol II的关键蛋白）却不受RNA降解酶处理的影响。这些结果说明，PRC2复合体不是直接和染色质结合的，而是间接地通过一道RNA的“桥梁”。当这个桥梁被降解的时候，PRC2就会从染色质上脱落。他们又通过另外一个实验支持了这一结论。当他们用RNA聚合酶 Pol II的小分子抑制剂triptolide来处理人诱导性多能干细胞（human iPSC）之后，RNA聚合酶无法继续转录RNA，他们发现PRC2也从染色质上掉落下来。这两个实验说明RNA对PRC2和染色质的结合有着关键的作用。

为了研究PRC2-RNA相互作用的机理以及在细胞分化中的作用，研究人员成功地设计了一个PRC2的功能分离突变体（separation-of-function mutant）。这个突变体PRC2和RNA结合的能力大大降低，却保留了PRC2正常的其他功能（比如甲基化催化能力，染色质结合力，聚合体蛋白间相互作用等等）。这个突变体的设计是基于龙伊成博士等研究人员在2017年发表在eLife上的文章。这个PRC2功能分离突变被研究人员用CRISPR基因编辑的方法放入来处理人诱导性多能干细胞（human iPSC）。他们发现PRC2突变体和RNA相互结合的能力下降。更重要的是，相对于野生型，突变PRC2明显不能准确结合并抑制染色质上的关键基因。这一结果进一步说明RNA结合对于PRC2准确控制基因调控的关键作用。

在进一步对PRC2突变体干细胞和野生型干细胞比对，研究人员发现在突变体里，不少和细胞分化相关的基因表达量明显上调。这说明不能被RNA调控导致原本PRC2对这些基因的抑制出现了缺陷。进一步比对发现不少和心肌细胞分化相关的基因表达异常，于是研究人员决定诱导干细胞分化成心肌细胞，以便观察细胞定向分化是否会有异常。他们发现PRC2-RNA相互作用的缺失果然导致这一分化过程出现重大缺陷：在诱导分化8天之后，PRC2突变体细胞无法正常搏动，表达心肌细胞蛋白的细胞也大大减少。这一缺陷可以通过表达野生型PRC2来补救。进一步基因表达研究发现，大量和产能代谢以及心脏功能相关的基因表达在突变体内急剧减少。这些结果表明RNA-PRC2相互作用对于心肌细胞分化有着至关重要的 作用。

这一发现似乎回答了科研界长达15年的争论：RNA对PRC2的功能有没有重要作用？答案是肯定的，RNA作为“桥梁”直接调控PRC2在全基因组的定位，随细胞状态而变化的RNA库有可能直接控制PRC2如果准时准地的抑制细胞分化和生长发育相关的基因。这一作用又进一步被RNA-PRC2相互作用在心肌细胞分化的决定性地位所证明。

PRC2在各种疾病的发生中有重要作用，发现RNA是如何调控PRC2有助于研发RNA相关药物。这在如今COVID-19催生RNA药物的大背景下很有意义。这一研究的设计思路以及结果也有助于研究RNA对其他表观遗传因子的调控，这一方向是生物医学领域的一大热门。

原始出处：

Yicheng Long, Taeyoung Hwang, Anne R Gooding, et al.RNA is essential for PRC2 chromatin occupancy and function in human pluripotent stem cells.Nat Genet. 2020 Jul 6. doi: 10.1038/s41588-020-0662-x.