基因表達調控是決定細胞命運的重要因素，通過(guò)改變基因的表達模式即可實(shí)現對細胞命運的精準調控。比如運用Yamanaka四個(gè)轉錄因子（Oct4, Sox2, Klf4, c-Myc）在體外就可將體細胞成功重編程為誘導多能干細胞。2020年6月10日，中國科學(xué)院廣州生物醫藥與健康研究院/廣州再生醫學(xué)與健康廣東省實(shí)驗室姚紅杰課題組聯(lián)合清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院孫前文課題組在國際學(xué)術(shù)期刊Science Advances在線(xiàn)發(fā)表了題為R-loops Coordinate with SOX2 in Regulating Reprogramming to Pluripotency的研究論文，該研究成果揭示了SOX2/Ddx5與R-loop協(xié)同調控體細胞重編程的新機制。 

　　在基因轉錄過(guò)程中，會(huì )形成一種由單鏈DNA和DNA:RNA雜合鏈組成的三鏈核酸結構，稱(chēng)為R-loop。R-loop廣泛存在于各個(gè)物種中，最早被認為是轉錄的副產(chǎn)物，但近年來(lái)發(fā)現R-loop在很多生物學(xué)過(guò)程中發(fā)揮著(zhù)重要的作用。已有研究報道R-loop相關(guān)蛋白很多都是RNA結合蛋白（RBP），然而RBP如何協(xié)同R-loop在細胞命運決定中發(fā)揮作用尚不清楚。早在2017年，姚紅杰課題組在國際學(xué)術(shù)期刊Cell Stem Cell已經(jīng)揭示了RBP Ddx5通過(guò)調節miR-125b代謝從而負向調控PRC1復合物的非經(jīng)典亞基RING1和YY1結合蛋白（RYBP）的雙重功能，進(jìn)而調控體細胞重編程為誘導多能干細胞。但是Ddx5作為RNA解旋酶在體細胞重編程中的功能仍然未知。 

　　研究團隊運用ssDRIP-seq技術(shù)，首先繪制了體細胞重編程過(guò)程中R-loop的動(dòng)態(tài)變化圖譜，發(fā)現R-loop并不是簡(jiǎn)單地作為轉錄的副產(chǎn)物出現，而是在轉錄發(fā)生變化之前就開(kāi)始變化。根據R-loop的分布特點(diǎn)，結合多組學(xué)分析發(fā)現R-loop變化與染色質(zhì)開(kāi)放程度及增強子活性存在很高的正相關(guān)性，并與體細胞重編程過(guò)程密切相關(guān)。研究人員發(fā)現敲降R-loop的重要調控蛋白RNaseH1的表達可抑制體細胞重編程的進(jìn)程。為了研究R-loop與體細胞重編程的關(guān)系，研究人員構建了RNaseH1突變體。體外實(shí)驗表明RNaseH1酶活位點(diǎn)單個(gè)氨基酸的點(diǎn)突變體（RNaseH1^D209N）可以顯著(zhù)抑制野生型RNaseH1對R-loop的消解作用。重編程實(shí)驗表明RNaseH1^D209N可以改變R-loop水平進(jìn)而影響體細胞重編程的進(jìn)程。 

　　因子篩選實(shí)驗表明Yamanaka四因子中只有Sox2可以回復因R-loop改變而被抑制的重編程。與對照組相比，過(guò)表達Sox2處理組中重編程細胞的R-loop水平更高。結合組學(xué)數據及生物信息分析發(fā)現Sox2結合位點(diǎn)附近的R-loop水平較高，而且在重編程過(guò)程中增加Sox2的表達量可以增加相關(guān)位點(diǎn)R-loop水平。結合RNA-seq及ssDRIP-seq數據發(fā)現Sox2促進(jìn)多能性基因相關(guān)位點(diǎn)的R-loop富集。進(jìn)一步生物信息分析發(fā)現Sox2調控的R-loop更傾向位于基因的啟動(dòng)子區域。  

　　研究發(fā)現雖然Sox2可以與R-loop形成復合物，但EMSA實(shí)驗結果表明Sox2并不具有直接結合R-loop的能力，而是間接參與調控R-loop水平的變化。為了揭示Sox2與R-loop的調控關(guān)系，研究人員通過(guò)質(zhì)譜數據發(fā)現Sox2與RNA解旋酶Ddx5存在相互作用。體外R-loop消解實(shí)驗揭示Ddx5解旋酶可以直接消解R-loop，而Sox2與Ddx5相互作用并抑制DDX5對R-loop的消解作用。研究還發(fā)現Sox2通過(guò)其DNA結合結構域（HMG區域）抑制Ddx5對R-loop的消解作用。 

　　該研究進(jìn)一步發(fā)現Sox2這一新功能并不依賴(lài)于Sox2的轉錄因子活性。體細胞重編程實(shí)驗發(fā)現Sox2可回復因Ddx5而被抑制的重編程進(jìn)程以及上調Ddx5相關(guān)調控位點(diǎn)的R-loop水平，進(jìn)而促進(jìn)體細胞重編程為多能干細胞。這項研究發(fā)現了Sox2/Ddx5協(xié)同調控R-loop參與體細胞重編程過(guò)程，闡明了R-loop對細胞命運調控的重要作用，并揭示了Sox2這一傳統轉錄因子的新功能。

　　中國科學(xué)院廣州生物醫藥與健康研究院/廣州再生醫學(xué)與健康廣東省實(shí)驗室姚紅杰研究員與清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院孫前文研究員為本文的共同通訊作者。姚紅杰課題組博士生李堯益、宋亞威和孫前文課題組博士后徐煒、博士生李沁為本文共同第一作者。該課題的實(shí)施得到了來(lái)自中國科學(xué)院生物物理研究所薛愿超研究員和德國馬普協(xié)會(huì )分子醫學(xué)研究所Hans Scholer研究員的幫助。該工作得到來(lái)自國家重點(diǎn)研發(fā)計劃干細胞專(zhuān)項、國家杰出青年科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰略性先導科技專(zhuān)項、廣州再生醫學(xué)與健康廣東省實(shí)驗室、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心等項目經(jīng)費的支持。 

　　論文鏈接

　　圖1. R-loop水平變化影響體細胞重編程。 

　　圖2. Sox2/Ddx5協(xié)同調控R-loop。 

　　圖3. 本研究的模式圖。