清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院胡小玉課題組發(fā)文探究負(fù)向轉(zhuǎn)錄延伸因子復(fù)合物NELF在巨噬細(xì)胞活化過程中... 時(shí)間：2020-05-10
2020年5月8日，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院胡小玉課題組在《Nature Communications》雜志在線發(fā)表了題為“Negative elongation factor complex enables macrophage inflammatory responses by controlling anti-inflammatory gene expression”的研究論文。此項(xiàng)研究通過多種組學(xué)手段如Pro-seq等全面繪制了巨噬細(xì)胞活化過程中起始后（即轉(zhuǎn)錄延伸階段）基因組圖譜，闡述了轉(zhuǎn)錄延伸負(fù)向調(diào)控因子NELF復(fù)合物在活化過程中的動(dòng)態(tài)變化，并意外揭示了NELF作為炎癥反應(yīng)正向調(diào)控因子的作用。
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巨噬細(xì)胞基因表達(dá)的調(diào)控研究大多聚焦于RNA聚合酶II招募和轉(zhuǎn)錄起始的發(fā)生，而本課題組之前的研究（Shang et al, Nature Immunology 2016）顯示轉(zhuǎn)錄因子Hes1在轉(zhuǎn)錄延伸階段調(diào)控趨化因子Cxcl1基因的表達(dá)，這提出了一個(gè)重要的科學(xué)問題：轉(zhuǎn)錄延伸調(diào)控如何影響巨噬細(xì)胞的基因表達(dá)？Pol II轉(zhuǎn)錄延伸分為早期延伸和晚期延伸（高效轉(zhuǎn)錄延伸）兩個(gè)階段?；蜣D(zhuǎn)錄起始后，Pol II從基因的TSS區(qū)域脫離，轉(zhuǎn)錄一段短的初始RNA，然后暫停于轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)附近約20-60個(gè)核苷酸的位置，這一現(xiàn)象被稱為Pol II暫停（Pol II pausing），是基因轉(zhuǎn)錄延伸的一個(gè)重要檢查點(diǎn)。負(fù)向延伸因子NELF是介導(dǎo)Pol II轉(zhuǎn)錄暫停的關(guān)鍵因子，而招募活化的P-TEFb被認(rèn)為是釋放暫停Pol II和啟動(dòng)高效轉(zhuǎn)錄延伸的重要步驟。于是，課題組研究人員以Pol II、NELF和P-TEFb為切入點(diǎn)，探究轉(zhuǎn)錄延伸對(duì)巨噬細(xì)胞基因表達(dá)的調(diào)控作用。
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研究初期，課題組研究人員首先發(fā)現(xiàn)Pol II暫停在靜息狀態(tài)的巨噬細(xì)胞中是普遍存在的現(xiàn)象，而且負(fù)向延伸因子NELF與暫停Pol II共定位。同時(shí)，巨噬細(xì)胞重要的轉(zhuǎn)錄因子PU.1有助于Pol II和NELF在轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)附近的定位，一旦缺失PU.1將導(dǎo)致Pol II和NELF在基因TSS的豐度降低?；罨碳l件下，在60%的巨噬細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組中觀察到Pol II的暫停-釋放過程，且伴隨著NELF在全基因組水平的動(dòng)態(tài)解離過程。令人意外的是，抑制或敲低P-TEFb中激酶亞基CDK9的表達(dá)對(duì)LPS誘導(dǎo)的NELF解離過程沒有影響，而之前的研究大多認(rèn)為CDK9能夠磷酸化NELF并導(dǎo)致其從染色體上解離。隨后，研究人員構(gòu)建了髓系特異性缺失NELF的小鼠，發(fā)現(xiàn)NELF缺失對(duì)穩(wěn)態(tài)條件下巨噬細(xì)胞的發(fā)育和基因表達(dá)影響甚微，但是影響巨噬細(xì)胞激活狀態(tài)的基因表達(dá)，其中NELF缺失通過增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄因子復(fù)合物AP-1編碼基因Fos和Jun（NELF+基因）的表達(dá)從而上調(diào)NELF-基因（如Il10）。NELF缺失的巨噬細(xì)胞中IL-10分泌增加，進(jìn)而下調(diào)促炎細(xì)胞因子TNF、IL-6、IL-12p40的產(chǎn)生，最終導(dǎo)致小鼠腹膜炎模型中炎癥反應(yīng)的削弱。
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本研究提出了將巨噬細(xì)胞活化過程中轉(zhuǎn)錄延伸區(qū)分成兩個(gè)步驟，即‘暫停-釋放’和‘有效延伸’的模型。此兩步分別受到不同因子和不同機(jī)制的調(diào)控，NELF主要參與第一步Pol II暫停的調(diào)控，暫停Pol II的釋放伴隨著NELF從染色體上解離。與傳統(tǒng)模型相異，P-TEFb并不參與NELF的動(dòng)態(tài)解離，而是促進(jìn)Pol II有效延伸過程。這些結(jié)果豐富了轉(zhuǎn)錄延伸調(diào)控的理論，并為進(jìn)一步在免疫細(xì)胞中闡述轉(zhuǎn)錄延伸的效應(yīng)及其機(jī)制提供了鑒戒。值得一提的是，幾乎與本文同時(shí)期發(fā)表的一篇來自美國西北大學(xué)研究者的文章（Molecular Cell 2020 Apr; 78:261）在完全不同的體系，如熱休克反應(yīng)，中觀察到高度一致的NELF動(dòng)態(tài)變化以及P-TEFb不相關(guān)的作用機(jī)制，驗(yàn)證了我們提出的模型的普適性。
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清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院胡小玉和美國康奈爾醫(yī)學(xué)院Inez Rogatsky教授為本文的共同通訊作者，CLS項(xiàng)目2013級(jí)博士研究生余莉和醫(yī)學(xué)院2015級(jí)博士研究生張彬?yàn)楸疚牡墓餐谝蛔髡?。此外，來自胡小玉課題組的博士研究生郭子毅、曾小敏以及Rogatsky課題組的Dinesh Deochand、Maria Sacta、Maddalena Coppo、David Rollins、Bowranigan Tharmalingam、Yurii Chinenov對(duì)本研究做出了重要貢獻(xiàn)。本研究同時(shí)還得到了山東農(nóng)業(yè)大學(xué)的商營利教授、喬治華盛頓大學(xué)的Rong Li 教授的大力支持。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部、清華大學(xué)-北京大學(xué)生命科學(xué)聯(lián)合中心、清華大學(xué)免疫學(xué)研究所以及NIH的資助。
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https://www.nature.com/articles/s41467-020-16209-5
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