蒋卫课题组揭示长末端重复序列调控宿主基因表达的分子机制

内源性逆转录病毒元件（ERV）也叫做长末端重复序列（LTR），属于转座子的一种，占到了人类基因组的8%左右。转座子自从发现以来长期被认为是垃圾DNA，直到近些年有报道显示转座子在适应宿主进化的过程中被驯化，甚至作为顺式调控元件发挥作用【1,2】。转座子序列虽然有多态性，但整体上相似，这导致针对转座子的研究相对滞后，很多潜在的功能性转座子还没有被充分发掘。

2022年4月22日，武汉大学蒋卫课题组在Nucleic Acids Research上发表了研究论文Active endogenous retroviral elements in human pluripotent stem cells play a role in regulating host gene expression。该项研究探讨了LTR元件调控宿主基因表达的两种模型，阐明了古老的LTR MER57E3通过控制邻近的ZNF基因表达从而参与宿主生物学过程，而年轻的LTR LTR5/LTR5_Hs更倾向于长间距相互作用调控宿主基因表达。

作者首先整合了ENCODE等数据库中人类胚胎干细胞的98个ChIP-seq数据集，发现了胚胎干细胞中活跃的LTR元件主要富集由增强子或启动子相关的组蛋白修饰，这代表了那些活跃的 LTR元件可能作为人类胚胎干细胞中的顺式调控元件。基于此，作者探究了富集了启动子样组蛋白修饰的LTR MER57E3的功能。相当比例的MER57E3选择性位于ZNF基因的第一个内含子中，并且有趣的是，这些ZNF-MER57E3与位于基因间的MER57E3相比具有更高的完整性，这说明ZNF-MER57E3在进化中保存得更加完好，可能具有重要的功能。接下来作者通过转录因子基序分析发现MER57E3具有PAR bZIP基因家族的保守结合位点，并通过双荧光素酶报道实验，结合构建诱导性CRISPRi以及特定MER57E3敲除的胚胎干细胞等结果，证明了PAR bZIP家族成员TEF可以直接结合MER57E3并行使激活作用。

除此之外，作者也探讨了进化上更加年轻的LTR5/LTR5_Hs元件。基于已有的ChIP-seq结果，作者发现LTR5/LTR5_Hs元件倾向于结合多能性相关因子 OCT4，SOX2，MYC等。作者先是构建了串联多个sgRNA的慢病毒载体靶向大约90%的LTR5/LTR5_Hs元件，探讨了primed状态的胚胎干细胞中LTR5/LTR5_Hs的功能。通过CRISPRi实验，作者发现少数LTR5/LTR5_Hs临近的基因表达有所下调。另外，通过基序富集分析作者发现，LTR5/LTR5_Hs元件可能与早期多能性相关的转录因子结合，例如KLF4，KLF5，TFAP2C等。因此，作者进一步分析了多种人多能干细胞状态包括naïve以及EPSC状态的RNA-seq数据【3,4】，发现LTR5/LTR5_Hs的表达丰度在naive的胚胎干细胞与EPSC中更高。于是，作者在primed胚胎干细胞中构建了LTR5/LTR5_Hs的报告体系，基于课题组前期的研究体系将primed状态转化至EPSC，证明了LTR5/LTR5_Hs确实在EPSC中更加活跃；EPSC中的CRISPRi实验也显示LTR5/LTR5_Hs在拓展多能性状态下具有更加强烈的调控能力。

这些结果丰富了LTR元件作为顺式调控元件发挥功能的模型，并提供了组蛋白修饰、转录因子与LTR元件结合的景观图谱。

武汉大学/中南医院医学研究院博士生张天喆为本文第一作者，蒋卫教授为本文的通讯作者。

蒋卫课题组长期从事细胞命运调控的表观代谢机制和转化研究，主要利用人多能干细胞维持和分化体系，探讨早期多能性转换及胚层分化的分子机制，同时也研究如何制备功能胰岛细胞用于细胞治疗和建立糖尿病疾病模型。近期工作以通讯作者（含共同）发表在Nucleic Acids Res (2022)、Redox Biol (2022)、Theranostics (2022)、Stem Cell Rep (2020、2021)、Small (2022) 等期刊。欢迎感兴趣的同学报考研究生或进行博士后研究。

https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkac265/6572368

制版人：十一

参考文献

1. Modzelewski, A.J., Shao, W., Chen, J., Lee, A., Qi, X., Noon, M., Tjokro, K., Sales, G., Biton, A., Anand, A. et al. (2021) A mouse-specific retrotransposon drives a conserved Cdk2ap1 isoform essential for development.Cell, 184, 5541-5558 e5522.

2. Sakashita, A., Maezawa, S., Takahashi, K., Alavattam, K.G., Yukawa, M., Hu, Y.C., Kojima, S., Parrish, N.F., Barski, A., Pavlicev, M. et al. (2020) Endogenous retroviruses drive species-specific germline transcriptomes in mammals.Nat Struct Mol Biol, 27, 967-977.

3. Yang, Y., Liu, B., Xu, J., Wang, J., Wu, J., Shi, C., Xu, Y., Dong, J., Wang, C., Lai, W. et al. (2017) Derivation of Pluripotent Stem Cells with In Vivo Embryonic and Extraembryonic Potency.Cell, 169, 243-257 e225.

4. Zheng, R., Geng, T., Wu, D.Y., Zhang, T., He, H.N., Du, H.N., Zhang, D., Miao, Y.L. and Jiang, W. (2021) Derivation of feeder-free human extended pluripotent stem cells.Stem Cell Reports, 16, 1686-1696.

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