《Cell》携带二价组蛋白修饰的复合型转座子作为RNA依赖性增强子调控细胞命运

近日，清华大学生命科学学院、清华-北大生命科学联合中心刘念课题组联合北京大学生命科学学院、北大-清华生命科学联合中心李湘盈课题组在《细胞》（Cell）杂志上在线发表了题为“携带二价组蛋白修饰的复合型转座子作为RNA依赖性增强子调控细胞命运”（Composite transposons with bivalent histone marks function as enhancers in cell fate regulation）的研究论文。

该研究首次揭示了H3K9me3和H3K27ac标记的二价染色质对复合型转座子SVA的协同调控机理和生物学功能，并证明了SVA的RNA依赖性增强子活性及其在造血系统分化和衰老相关髓系偏好性造血中的重要生理意义，提示其有望成为干预造血发育异常和造血衰老的潜在靶标 。百迈客生物为该研究提供了ONT三代测序服务！

研究背景

二价染色质（bivalent chromatin）是指基因组上同时被激活性组蛋白修饰和抑制性组蛋白修饰共同标记的染色质区域。例如，由激活性H3K4me3和抑制性H3K27me3共同标记的二价启动子（bivalent promoter）；由激活性H3K4me1和抑制性H3K27me3共同标记的静息态增强子（poised enhancer）。这两类二价染色质对于谱系基因的表达和谱系分化发育的精确调控具有重要作用。然而，人类基因组中是否还有更多类型的二价染色质？这些二价染色质的调控机理和生物学功能是什么？目前尚未得到全面深入的解析。

在人类基因组中，转座元件(transposable elements)占据了相当大的比例，其功能并非以往所认为的“垃圾DNA”那么简单。近年来，越来越多的研究表明转座元件在基因调控和基因组进化中扮演了重要角色。然而，对于灵长类特异性的复合转座元件(composite transposons)如何通过表观遗传调控机制影响细胞命运决定，仍然知之甚少。

研究内容

·复合转座元件具有独特的空间双重染色质标记

研究团队首先通过对K562细胞系的组蛋白修饰ChIP-seq数据分析，发现基因组中存在1842个同时具有H3K9me3和H3K27ac修饰的基因座，其中大部分富集在转座元件区域，特别是SVA、L1、Alu和LTR等转座元件家族。值得注意的是，这些对立的组蛋白修饰并非共存于同一核小体，而是分布在转座元件的不同区域，形成了独特的空间双重染色质状态。

·全基因组CRISPR筛选鉴定SVA调控因子

为了系统鉴定调控SVA表达的因子，研究团队构建了SVA-GFP报告系统，通过在K562细胞中进行全基因组CRISPR-Cas9筛选，成功鉴定出161个SVA抑制因子和237个激活因子。这些因子功能多样，涉及组蛋白修饰、染色质重塑、转录调控和RNA代谢等多个过程。

值得注意的是，m6A甲基转移酶复合物组分METTL3和METTL14位列抑制因子前列，而著名的造血调控因子LM02则是最重要的激活因子之一。研究人员通过FACS和RNA-seq验证了这些因子对内源性SVA表达的调控作用，发现这些调控具有SVA位点特异性和协同性。

·LM02和METTL3/14通过拮抗调控SVA双重标记

研究团队深入解析了排名最高的激活因子LM02和抑制因子METTL3/14的调控机制。研究发现，LM02与TAL1形成复合物，结合在SVA的3’端，招募组蛋白乙酰转移酶CBP，促进H3K27ac修饰，从而激活SVA转录。

另一方面，METTL3/14复合物通过催化SVA RNA的m6A修饰，招募YTHDC1和SETDB1，促进SVA 5’端的H3K9me3修饰，抑制SVA转录。这两条通路相互拮抗，共同维持SVA双重染色质状态的动态平衡。

 

·SRNA依赖性增强子功能调控远端基因表达

研究团队发现SVA的增强子功能严格依赖其转录产生的RNA。通过构建可诱导的CRISPRa系统，研究人员发现激活SVA可在约512 kb范围内增强基因表达，并加强SVA与靶基因启动子之间的染色质环形成。

最关键的是，使用反义寡核苷酸（ASO）敲低SVA RNA后，尽管DNA序列和局部组蛋白修饰未发生显著变化，但其增强子活性大幅减弱，远端基因表达下降，证明SVA的增强子功能是RNA依赖性的。

·SVA调控造血分化命运决定

研究团队发现SVA在造血分化中扮演重要角色。在K562细胞红系分化和原代CD34+造血干/祖细胞（HSPCs）的体外红系分化过程中，SVA表达显著上调，LM02结合和H3K27ac修饰增强，而H3K9me3信号减弱。这些激活的SVA通过形成染色质环，增强SLC4A1等红系分化关键基因的表达。ASO介导的SVA敲低严重损害红系分化进程。

研究还发现不同的SVA亚群分别在红系和巨噬细胞分化中被激活，调控不同的基因网络。在造血干细胞命运抉择中，SVA表达促进髓系分化而抑制淋巴系分化。在体外双向分化体系中敲低SVA，导致髓系细胞减少而淋巴系细胞比例增加。

·SVA激活助推衰老相关髓系偏倚

随着年龄增长，造血系统逐渐呈现髓系偏倚（Myeloid bias）。本研究发现，与年轻人相比，老年人来源的HSPCs中SVA上的H3K9me3减少、H3K27ac增加，转录活性和染色质环强度更高，更强劲地激活髓系基因程序。在老年HSPCs中敲低SVA，能够部分逆转髓系分化倾向，使造血输出恢复平衡。

研究总结

该研究系统揭示了复合转座元件SVA通过独特的空间双重染色质标记和RNA依赖性增强子功能，在细胞命运决定中发挥重要调控作用。这项研究不仅深化了对转座元件功能多样性的理解，也为探索发育、衰老和疾病中的表观遗传调控机制提供了新视角。

值得一提的是，该研究开发的SVA-GFP报告系统和全基因组筛选策略为研究其他重复元件的调控机制提供了有力工具。未来研究可以进一步探索不同SVA亚群的功能特异性，以及这些元件在更多生物学过程和疾病状态中的作用机制。

 

 

 

 

 

 

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