太厉害!协和医院程涛团队用RNA编辑组测序揭示造血干细胞分化机制

来源:测序中国

造血干细胞和祖细胞(HSPC)自我更新与分化的平衡需要协调复杂的途径。与表观遗传学一样,参与细胞周期调控、凋亡和转录调控的基因在这一过程中起着至关重要的作用。RNA编辑,即在RNA水平上改变序列信息,作为转录后修饰的一种形式,在HSPC的平衡中起着重要作用。

腺苷-肌苷(A-to-I)RNA编辑是哺乳动物中最普遍的RNA编辑形式。肌苷在测序数据中被解释为鸟苷,A-to-I编辑被确定为A-to-G错配,该过程由作用于RNA(ADAR)蛋白的腺苷脱氨酶催化。在ADAR蛋白家族中,ADAR1广泛表达于各种组织中,并参与造血。小鼠Adar1基因敲除后可能会造成胎儿肝脏的造血缺陷,从而导致胚胎死亡。此外,在成人造血中,由于分化为祖细胞和成熟血细胞,Adar1等位基因的条件性缺失会损害造血干细胞(HSC)的补充能力。但目前,其潜在的机制尚不清楚。

近日,来自中国医学科学院北京协和医学院的程涛教授研究团队首次全面描述了小鼠造血级联反应中的RNA编辑组,并在Blood杂志上发表了题为“ComprehensiveRNAeditomerevealsthatedited?Azin1?partnerswithDDX1toenablehematopoieticstemcelldifferentiation”的研究文章。该研究对12个小鼠造血群体进行了全面的DNA和RNA测序分析,确定了30,796个编辑位点,其中抗酶抑制剂1(Azin1)在造血干细胞和祖细胞(HSPC)中高度编辑,揭示了Azin1?RNA编辑在造血细胞中的重要作用,为更广泛的RNA编辑研究提供了宝贵的资源。

文章发表在Blood上

研究团队在12个小鼠造血细胞群体中鉴定出30,796个RNA编辑位点(图1B),发现A-to-IRNA编辑主要发生在非编码区(如3’UTR)。虽然每个群体的每个位点编辑频率通常<0.1,但每个群体都有特定的编辑位点,这些位点的编辑水平较高。在造血细胞分化过程中每个群体的编辑组是动态的,不同造血群体的RNA编辑组也明显不同。

图1:造血过程中的RNA编辑组。来源:Blood

为了构建12个群体RNA编辑模式的综合图谱,研究团队分析了至少一个群体中14,233个编辑频率>0.1的编辑位点,确定了7,857个细胞类型特异性位点,并称其为“阶段特异性编辑位点”。研究结果显示,这些编辑位点发生在HPC分化相关基因或细胞周期相关基因中,表明RNA编辑可能通过编辑HPC分化或细胞周期相关基因参与造血。

图2:RNA编辑在造血中的功能相关性。来源:Blood

3’UTR内的RNA编辑位点可参与基因表达的调节,于是研究团队对c-Kit+细胞中3’UTR内的编辑位点进行了研究,发现其中对照组的编辑频率至少比Adar1KOc-Kit+细胞的编辑频率高0.1(图3A)。将这些位点分配给285个基因,并分析基因表达的变化。结果显示,RNA编辑与44个基因的表达呈正相关,与14个基因的表达呈负相关(图3B)。此外,研究人员还选择了12个造血群体中3’UTR内的编辑位点,并计算了RNA编辑频率和mRNA表达之间的相关性。相关系数的分布为负(40.62%)或正(59.38%),表明3’UTR内的编辑位点可能调节mRNA表达水平(图3C)。

随后,研究团队鉴定了在多能祖细胞中特异性编辑并且仅携带一个功能评估编辑位点的八个基因。发现RNA编辑导致Azin1、Cog3、Taf1c、Rtkn、Igbp1和Rrp15中的氨基酸替换,而H19和Mri1中的编辑事件发生在非编码区。集落形成单位(CFU)分析显示,编辑基因(Azin1、Cog3、Igbp1、Rrp15、H19)的过表达与相应WT的过表达相比,会导致不同的菌落形成效率,表明RNA编辑影响这些基因的功能。其中,经过编辑的Azin1产生了最高的菌落数。

图3:特异性RNA编辑的功能意义。来源:Blood

研究数据表明,只有经过编辑的Azin1才能增强HSC功能,Azin1?RNA编辑的缺失会损害HSC在体内的重建。

图4:Azin1的RNA编辑维持HSC的分化。来源:Blood

研究团队检测了编辑后的AZI(Azin1蛋白)在小鼠细胞中的亚细胞定位。结果发现,在细胞中DDX1和AZI之间存在明显的相互作用。

基因敲除分析显示,Ddx1缺失抑制了c-Kit+细胞的集落形成能力(图5A)、增加了细胞凋亡率(图5B),表明Ddx1缺失在体外损害HSPC功能。Ddx1基因敲除后444个与造血相关的基因表达下调,但在编辑过的Azin1(Azin1-G)过表达后表达水平升高,表明Ddx1和Azin1-G在造血过程中对这些基因具有协同效应(图5C)。以上结果表明,编辑的AZI与DDX1协同作用,通过调节几种造血调节因子的表达来控制造血分化。

图5:编辑的Azin1与Ddx1协同调节造血。来源:Blood

该研究全面描述了小鼠造血群体的RNA编辑组图谱,为全面研究不同造血谱系中的A-to-I编辑提供了资源。同时,研究结果揭示了调节因子Azin1介导HSPC的分化可能通过Azin1与DDX1的相互作用:编辑后的AZI从细胞质转移到细胞核,使其能够与DDX1相互作用,这种结合使DDX1能够调节多种造血调节因子的表达

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