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转录。2010年11月至12月;1(3):165-175。
2010年8月16日在线发布。 doi(操作界面):10.4161/trns.1.3.13332
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PMID:21151833

Oct4-假基因5长非编码RNA反义对Oct4转录的调控

关联数据

补充资料

摘要

长非编码RNA(lncRNAs)已被证明能表观遗传调节人类细胞中的某些基因。这里我们报道了反义lncRNA参与多能相关因子Oct4转录调控的证据。当抑制Oct4假基因5的反义lncRNA时,观察到Oct4和Oct4假基因4和5的转录增加。这种增加与Oct4启动子沉默状态表观遗传标记和组蛋白甲基转移酶Ezh2的丢失有关。我们观察到这种lncRNA与核仁素和PURA(一种35kD的单链DNA和RNA结合蛋白)相互作用,并发现这些蛋白可能对这种反义转录物起负调控作用。

关键词:Oct4,PURA,核仁蛋白,非编码RNA,假基因

介绍

干细胞作为一种研究和治疗工具具有巨大的潜力,但由于对其分离的伦理关注,这项技术的进步已经滞后。各种研究小组最近描述了将人和小鼠体细胞重新编程为诱导多能干细胞(iPS)的方法。1——4在人类细胞中,重编程策略通常涉及引入一些多潜能相关因子的组合,特别是Oct4、Sox2、Lin28和Nanog;2或10月3/4日,Sox2、c-Myc和Klf4。,4这些多潜能相关因子的表达对维持多潜能状态很重要,这些基因的表观遗传沉默是分化的重要步骤。5,6特别是,赖氨酸9在Oct4启动子组蛋白3(H3K9)上的甲基化状态,由G9a和Jhmd2a介导,是分化和重编程的重要因素。7——9除了促进干细胞的多能性外,Oct4(也称为POU5F1和Oct3/4)还与肿瘤发生有关。由于观察到癌症和干细胞具有自我更新和繁殖的特性,人们对这种联系表示赞赏。10

全基因组研究表明,人类基因组的转录比以前认识到的要多得多,其中许多转录物是长非编码RNA(lncRNAs)。11,12许多lncRNAs相对于蛋白质编码区运行反义。13,14来自我们小组和其他人的最新证据表明,某些反义lncRNAs通过将表观遗传重塑复合物导向特定位点来调节基因转录。15——17在这些研究中,RNA干扰(RNAi)对反义转录物的敲除导致了有义转录的激活。反义lncRNAs也被证明在对远端基因座的表观遗传修饰中起作用。在对人类细胞中与HOX基因座相关的lncRNA的研究中,Rinn等人发现,与HOXC基因座相关联的反义RNA抑制了远端HOXD基因座的转录。18该反义转录物与多囊抑制复合物2(PRC2)相关,观察到的沉默与HOXD位点H3K27me3的增加相关。

在小鼠细胞中,最近发现了调节Oct4和Nanog的lncRNAs,这可能表明非编码转录物在调节多能性中的作用。19在人类细胞中,Oct4表达为两个转录变体,通过选择性剪接,它们在5′非翻译区(UTR)、5′编码区和翻译起始密码子上存在差异。20除了Oct4的这两个转录变体外,在各种人类细胞系和癌症中还发现了六个相关的假基因(Oct4-pg1-6),尽管对其功能知之甚少。21这些假基因是在cDNA样本中鉴定出来的,其反转录是使用寡核苷酸(dT)引物引物进行的。由于Oct4的表观遗传调控在许多生物学相关过程中很重要,我们选择研究这些Oct4相关的lncRNA在Oct4转录调控中可能发挥的作用。如果iPS细胞的应用有朝一日与治疗相关,那么对Oct4的表观遗传调控的详细了解至关重要。此外,有关调节多能性的基于RNA的网络的知识可能对未来的细胞重编程方法和癌症靶向治疗药物的开发有用。

结果

我们对Oct4-related转录本的初步鉴定使用了几个引物集(图1A表S1). Oct4引物集2特异性识别Oct4启动子。Oct4引物集3特异性识别Oct4转录变体2。Oct4引物集1识别Oct4的两个转录变体以及Oct4假基因5(Oct4-pg5)。此外,虽然组1的正向引物也能识别Oct4-pg1和3,而反向引物也可以识别Oct4-pg-4,但这些重叠在引物之间并不共享,因此PCR和qPCR分析不会与Oct4-pg1、3或4混淆。先前公布的数据显示,在多聚腺苷化Oct4-相关转录物中,只有Oc4-pg5在MCF-7细胞中表达。21因此,使用引物集1测量的感官Oct4-相关转录物被理解为Oct4-pg5。然而,之前的筛查并没有确定是否存在可能跨越Oct4或其任何假基因的非多腺苷酸lncRNA。

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(A) 转录物、引物位点、siRNA靶位点和其他与Oct4和Oct4-pg5相关的遗传元件的示意图。(B) MCF-7 RNA缺失多聚腺苷化转录物的PCR,并使用指定的引物以股特异性的方式转化为cDNA。PCR产物在6%聚丙烯酰胺凝胶上进行分析。检测到非聚腺苷酸化反义转录物与Oct4-pg5的编码区和Oct4的编码区和启动子区重叠。

为了表征与Oct4相关的正、反义转录物,采用聚合酶链反应(PCR)分析由链特异性逆转录PCR(RT-PCR)产生的cDNA文库。在链特异性RT-PCR中,单独用基因特异性正向或反向引物启动逆转录,从而分别产生靶区的特异性反义或有义链的cDNA。然后使用正向和反向引物进行PCR,扩增子代表重叠该区域的正或反义转录物。正如已发表的工作已经确定的那样,MCF-7细胞中表达的唯一一种多聚腺苷酸Oct4-related RNA是Oct4-pg5,这些实验是用缺乏聚(A)的RNA进行的。21

分别使用我们的每个引物集,我们能够检测到Oct4和/或Oct4-pg5的反义非多腺苷酸RNA(引物集1),重叠Oct4启动子(引物集中2)和Oct4转录变体2的反义(引物集合3)(图1B). 在每种情况下,poly(A)的缺失都通过观察寡核苷酸(dT)引物的cDNA样品缺乏扩增得到证实。这些数据表明,在MCF-7细胞中,除了前面描述的正义Oct4-pg5转录物外,还有反义转录物重叠Oct4-pg5的编码区和Oct4的启动子和编码区(分别为asOct4-pc5和asOct4)。

还使用针对Oct4内含子区域的特异性引物进行了链特异性RT-PCR。对该引物集的分析表明,存在一个反义RNA与该内含子区域重叠,但没有意义转录物(图S1). 除了显示问题中的非编码RNA与Oct4的内含子区域重叠外,该结果还证实了通过所述的股特异性RT-PCR方法选择性扩增目标股的能力。

我们假设观察到的对Oct4和Oct4-pg5的反义lncRNA可能具有调节Oct4-相关的感觉转录物的功能。为了验证这个假设,我们生成了三个siRNA(siO18、siO78和siO98;表S1)靶向asOct4和asOct4-pg5,并使用引物集1通过定量PCR(qPCR)评估它们对Oct4-related转录本的影响。除了靶向这些asRNAs外,筛选的siRNAs还可以靶向Oct4-pg4的假定lncRNA反义,尽管我们无法在MCF-7细胞中检测到与Oct4-pg4相关的反义RNA(图S1).

转染siO18和siO98导致asOct4和/或asOct4-pg5受到抑制,同时Oct4或Oct4-pg5的RNA水平增加(图2A). 观察到的不一致调节与之前的观察结果类似,靶向反义lncRNAs也导致基因特异性意义/mRNA表达增加。15——17这些数据表明,Oct4-相关转录物可能部分受与Oct4和/或Oct4-pg5相关的反义lncRNA控制。

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(A) 筛选针对lncRNAs反义Oct4和Oct4-pg5的三个siRNAs。与用对照siRNA处理的细胞相比,用siO18和siO98转染的样品显示反义减少,与Oct4和/或Oct4-pg5相关的义转录物增加。(B) 用shO18转染48小时后,相对于用打乱对照shS18处理的样品,与Oct4和/或Oct4-pg5相关的反义转录物减少,而感义转录物没有显著变化。(C) shO18转染72小时后,与Oct4和/或Oct4-pg5相关的反义转录物减少,而正义转录物水平显著增加。(D) 用shO18转染72小时后,与Oct4相关的反义转录物保持不变,而正义转录物水平显著增加。(B–D)以一式三份的培养物显示平均值,误差条表示平均值的标准误差,并指示双侧t检验的p值。

为了进一步研究lncRNAs对Oct4和Oct4-pg5的反义在调控Oct4相关的正义RNA表达中的作用,我们克隆了siO18和一个作为短发夹RNA的打乱对照(分别为shO18和shS18)。用shO18转染48小时后,反义Oct4和/或Oct4-pg5水平降低,转染72小时后,我们观察到Oct4-related sense RNA水平升高(图2B和C). 我们还使用针对Oct4转录变体2的引物集3分析了这些样本。该分析显示重叠该区域的反义转录物没有减少,但Oct4 mRNA增加(图2D). 这些数据表明,asOct4-pg5而不是asOct4可能是这种调节机制中的主要效应分子。

为了更具体地评估shO18处理对Oct4-related转录物的影响,我们接下来进行了核试运行。对Oct4和Oct4-pg5特异性引物集1的分析表明,Oct4或Oct4-pg5感观RNA转录增加(图3A). 接下来,我们使用针对Oct4转录变体2和Oct4假基因4的特异性引物分析了核连载样本,我们观察到这两种RNA的转录都显著增加(图3B和C). 这些结果表明,lncRNA asOct4-pg5可能具有调节多种Oct4-相关转录物的功能。从核试运行样品的qPCR分析中获得的值首先被标准化为主动转录的β-肌动蛋白,然后被标准化为对照样品(shS18)。

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(A–C)与用打乱对照处理的细胞相比,用shO18转染的样品显示Oct4-pg5、Oct4和Oct4-pg4的转录显著增加。(D) 用靶向Ezh2和G9a的siRNA转染MCF-7细胞导致Oct4义转录水平的增加。(E) 用shO18处理MCF-7细胞导致沉默状态的表观遗传标记H3K9me2和H3K27me3以及Oct4启动子处的组蛋白甲基转移酶Ezh2丢失。(A–D)从qPCR获得的值被标准化为β-肌动蛋白水平。(A–E)以一式三份的培养基显示平均值,误差条表示平均值的标准误差,并指示双侧t检验的p值。转染72小时后分析样本。

为了更全面地描述asOct4-pg5影响Oct4-related转录的机制,我们使用RNAi敲除了与表观遗传和RNA-介导转录调控有关的各种基因。我们发现组蛋白甲基转移酶Ezh2和G9a的敲除导致Oct4 mRNA的增加,而Ago1、HDAC1和DNMT3a的敲减没有显著影响(图3D). qPCR分析获得的值首先归一化为β-肌动蛋白,然后归一化至对照样品(si854)。qPCR证实了这些基因的敲除(图S2A). 虽然这些数据表明Ezh2和G9a对Oct4有负调节作用,但它们本身并没有将这种活动与asOct4-pg5直接联系起来。

为了研究asOct4-pg5在指导组蛋白甲基转移酶和染色质修饰中的作用,我们接下来评估了asOct4-pg5敲除对Oct4启动子染色质结构的影响。转染shO18 72 h后Oct4启动子的染色质免疫沉淀(ChIP)分析显示H3K9me2、H3K27me3和Ezh2水平降低(图3E). 这些结果表明,asOct4-pg5可能具有招募Ezh2和G9a到Oct4启动子的功能,这反过来导致沉默状态组蛋白修饰和Oct4转录沉默的增加。这些数据与研究p15、p21和HOX基因座相关的反义lncRNAs时的观察结果惊人地相似。15,16,18

由于对RNA介导的转录调控机制知之甚少,我们接下来试图通过质谱鉴定参与这一过程的新蛋白因子。为此,我们将MCF-7细胞的核提取物与生物素标记的寡核苷酸孵育,寡核苷酸设计为与asOct4和/或asOct4-pg5结合,并用链霉亲和素珠降低lncRNA和相关蛋白(图4A). 用生物素标记的无关对照寡核苷酸(miRN367)培养其他样品,以监测下拉的特异性。通过定向RT-PCR验证了反义RNA的存在(图4B)和相关蛋白的分离和质谱分析(图4C). 生物素标记对照和O18样品中鉴定的蛋白质的完整列表可以在表S2在确定的几种蛋白质中,我们选择进一步分析富含嘌呤元素的结合因子A和B(PURA和PURB)以及核仁蛋白(NCL)。PURA、PURB和NCL是DNA和RNA结合蛋白,它们在基因调控中的作用是广泛的,并且在许多方面都不明确。22——25由于这些蛋白质可以与asOct4-pg5或靶位点相互作用,因此我们认为它们对我们的研究特别感兴趣。

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(A) 生物素介导的靶asRNA下拉示意图。(B)从用生物素标记的O18或对照(miRN367)寡核苷酸孵育的细胞核中分离的RNA样品用Oct4 Set 1 Fwd逆转录,用Oct5 Set 1 PCR扩增,并在6%聚丙烯酰胺凝胶上分析。(C) 通过质谱分析分离的蛋白质,并鉴定出所示的蛋白质,这些蛋白质是用生物素标记的O18提取下来的样品所特有的。

我们发现PURA和NCL被击倒(图S2B)对Oct4 mRNA水平有负面影响(图5A). 首先将呈现的结果归一化为β-肌动蛋白,然后将其归一化成对照样品(shS18)。我们还发现,敲除PURA和NCL对asOct4和asOct4-pg5水平没有显著影响(图5C). 这些结果表明,PURA和NCL可能抑制asOct4-pg5的功能。为了解决这个假设,我们分析了shRNA介导的PURA和NCL敲低后Oct4启动子的变化。我们通过ChIP分析发现,敲除PURA导致H3K27me3增加(图5B). asOct4-pg5先前显示可将H3K27me3导向Oct4启动子(图3E),这一结果可能表明,PURA通过与asOct4-pg5的相互作用抑制了这种作用,可能是通过将这种asRNA从靶基因座上分离出来。

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(A) 用靶向PURA和NCL的shRNAs转染MCF-7细胞导致Oct4义转录水平下降。结果已标准化为内部β-肌动蛋白水平。(B) 用靶向PURA的shRNA处理MCF-7细胞导致Oct4启动子沉默状态表观遗传标记H3K27me3的富集。(C) 用靶向指示基因的shRNA转染MCF-7细胞没有导致asOct4或asOct4-pg5水平的变化。(A–C)以一式三份的培养基显示平均值,误差条表示平均值的标准误差,并指示双侧t检验的p值。转染72小时后分析样本。

讨论

虽然这里讨论的反义lncRNA介导的转录调控机制与早先描述的反义incRNA类似,但这些发现是独特的,因为所讨论的反意义lncRNA缺乏一个poly-a尾,并且来源于一个假基因。取消asOct4-pg5导致Oct4-p5以及Oct4和Oct4-p增加。这一结果可能表明asOct4-pg5具有多个靶点,或者多个lncRNA以某种方式共同作用,对Oct4-related转录产生广泛影响。

这里还提供了一些证据,证明蛋白质具有调节反义lncRNA的新功能。质谱法发现与asOct4和/或asOct4-pg5相关的一种蛋白质是PURA。我们观察到shRNA-介导的PURA敲低导致Oct4转录水平下降,H3K27me3在Oct4启动子处富集。PURA是一种多功能DNA和RNA-结合蛋白,已被证明可以调节转录、翻译、细胞周期进展和细胞增殖。22,23这里提供的数据表明,PURA也可能起到结合反义RNA的作用,并且可能通过与其他蛋白质的相互作用,将它们与目标隔离开来。PURB和NCL也被鉴定为Oct4和/或Oct4-pg5结合伙伴,尽管在这两个结合伙伴中,只有NCL的敲除对Oct4转录物有影响。NCL是一种广泛表达的多功能蛋白,在核糖体生物发生中起着关键作用。24NCL还可以激活和抑制基因转录,调节RNA代谢。26我们发现,虽然shRNA-介导的NCL敲除导致Oct4转录水平下降,但这种影响与Oct4启动子染色质的变化无关。

这些结果为asRNA介导的转录调控的扩展模型提供了基础(图6). 在这个模型中,asRNA与包括Ezh2和G9a在内的表观遗传调控蛋白复合体相关联。该复合物通过非编码RNA定位于靶启动子。该复合物随后诱导靶启动子异染色质化并随后沉默转录。27正如该模型所示,我们观察到,RNAi介导的asOct4-pg5、Ezh2或G9a的敲低导致Oct4的转录增加。在这个模型中,蛋白PURA和NCL的功能是结合和隔离asRNA。这种隔离使非编码转录物不可操作,从而阻断异染色质化和转录抑制。根据该模型,我们观察到RNAi介导的PURA和NCL敲低导致Oct4 mRNA水平降低。

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(A) 非编码转录物asOct4-pg5与Ezh2、G9a和可能的其他调节蛋白相关。该复合物定位于Oct4启动子,在那里诱导异染色质化和转录抑制。PURA和NCL也可能与Oct4-pg5结合,但通过隔离作用抑制其活性。(B) 当PURA和NCL被RNAi抑制时,asOct4-pg5能够将Ezh2和G9a靶向Oct4启动子,导致Oct4转录减少。

由于Oct4在该单元中扮演了许多重要角色,因此本文所介绍的工作具有特别的影响。Oct4的表观遗传调控不仅在重编程实验中很重要,而且在干细胞向祖细胞分化和肿瘤发生过程中也很重要。这些数据提供了对10月4日在这些过程中可能的转录调控因子的见解。

材料和方法

细胞培养和转染。

实验在37°C和5%CO培养的MCF-7细胞中进行2在Dulbecco改良的Eagle's培养基中添加10%胎牛血清和青霉素-链霉素(Invitrogen™)。使用Lipofectamine 2000(Invitrogen™)以1µg/1×10的浓度进行质粒转染6使用Lipofectamine RNAiMAX(Invitrogen™)以100nM的浓度进行细胞和siRNA转染。

聚(A)耗尽和PCR。

分离MCF-7 RNA(RNeasy,Qaigen™),DNA酶处理(TURBO DNase,Ambion™),去除聚腺苷化转录物(mRNA Catcher,Invitrogen™。使用指定的引物通过PCR(KAPA2G Fast HotStart,Kapa Biosystems)扩增cDNA,并在6%聚丙烯酰胺凝胶上分析。有关本工作中使用的所有引物序列的列表,请参见表S1.

siRNA的设计和合成。

我们设计并合成了三个靶向与Oct4和Oct4-pg5相关的反义RNA的siRNA(Silencer siRNA Construction Kit,Ambion™),以及一个靶向CCR5的无关对照siRNA(si854)。我们还使用了针对Ago1、DNMT3a、Ezh2和G9a的siRNA,这些siRNA与对照si854一起由Integrated DNA Technologies™合成。使用的siRNAs序列可以在表S1其中一些siRNA已在以前的报告中使用和验证。28,29

shRNA质粒构建。

合成了一种针对与Oct4和Oct4-pg5相关的反义RNA的短发夹RNA,并对该序列进行了扰乱控制(Integrated DNA Technologies™),并按照制造商的指南将其克隆到BLOCK-iT™H1 RNAi进入载体(Invitrogen™)中。靶向PURA(TRCN0000014534)、PURB(TRCN000015904)和NCL(TRCN0000 062284)的shRNA构建物是由Sigma-Aldrich™的Carol Kreider赠送的。使用的shRNAs序列见表S1.

定量PCR(qPCR)。

提取RNA(RNeasy,Qaigen™),DNA酶处理(TURBO DNase,Ambion™),使用非特异性或指示引物(逆转录核心试剂盒,Eurogentec™)进行逆转录,并使用指示引物进行qPCR分析(Kapa Sybr Fast,Kapa Biosystems™)。以股特异性方式生成的cDNA的qPCR结果被归一化为标准曲线,然后表示为对照值的分数。非特定cDNA的qPCR数据首先归一化为内部β-肌动蛋白水平,然后表示为对照值的分数。

染色质免疫沉淀(ChIP)。

如前所述进行ChIP分析。30使用抗H3K27me3(细胞信号#9756S)、抗H3K9me2(细胞信号#9753S)、H3K4me2(上游07-030)、抗Ago1(圣克鲁斯生物技术#sc-32657)、抗Ezh2(上游#07-689)或抗G9a(细胞信号#1306S)抗体免疫沉淀DNA,并被Dynabeads蛋白A(Invitrogen™)拉下。然后通过苯酚/氯仿提取回收DNA,并使用指定的引物(Kapa Sybr Fast,Kapa Biosystems™)通过qPCR进行分析。

核试运行。

如前所述进行核试运行,31尽管对连续样本的分析稍作修改,以使用生物素标记的转录本。28,29使用链亲和素偶联Dynabeads(Invitrogen™)拉下生物素化RNA。生成下拉RNA的cDNA拷贝(逆转录核心试剂盒,Eurogentec™),然后使用指定的引物(Kapa Sybr Fast,Kapa Biosystems™)通过qPCR进行分析。首先将呈现的数据标准化为β-肌动蛋白,然后控制(shS18)值。

生物素下拉。

按照之前的ChIP分析所述,对MCF-7细胞进行清洗和裂解。将溶解的细胞核与生物素标记的O18或无关对照(miRN367)寡核苷酸在42°C下以500µM的浓度孵育30分钟(生物素标记寡核苷酸序列发现于表S1). 使用链霉亲和素偶联Dynabeads(Invitrogen™)去除生物素结合核酸,通过添加100µl 2×洗脱缓冲液(10 mM Tris-HCl(pH 6.0)、1 mM EDTA和2.0 M NaCl)洗脱蛋白质复合物,并在65°C下孵育10分钟。通过质谱分析洗脱的蛋白质(TSRI质谱中心).

致谢

本项目由NIH R01 HL083473和NIH R01-AI084406资助,资助对象为K.V.M.。我们感谢Sigma-Aldrich的Carol Kreider提供shRNA结构以抑制PURA、PURB和NCL。

缩写

核糖核酸核糖核酸
iPS系统诱导多能干
Sox2系统SRY(性别决定区域Y)-方框2
Klf4型类krüppel因子4
c-Myc公司骨髓细胞瘤病病毒癌基因同源物
第28行lin-28同源物
10月4日八聚体结合转录因子4
10月4-pgOct4假基因
POU5F1POU 5类同源盒1
聚氨酯橡胶富含嘌呤元素结合蛋白A
聚氨酯富含嘌呤元素结合蛋白B
NCL公司核仁蛋白
RNA干扰RNA干扰
信使核糖核酸信使RNA
lncRNA长非编码RNA
cDNA免费DNA
asRNA反义RNA
微小RNA微小RNA
小干扰RNA小干扰RNA
H3K27me3型组蛋白3上的三甲基赖氨酸27
H3K9平方米组蛋白3上的二甲基赖氨酸9
Ago1型argonaute 1号机组
HDAC1型组蛋白去乙酰化酶1
DNMT3a公司DNA甲基转移酶3a
鄂尔多斯2zeste同源物2的增强子
G9a公司常染色组蛋白赖氨酸N-甲基转移酶2
HOX公司同源盒基因
聚合酶链式反应聚合酶链反应
逆转录聚合酶链反应逆转录酶PCR
定量PCR定量PCR

补充材料

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工具书类

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文章来自转录由以下人员提供泰勒和弗朗西斯