清華大學醫(yī)學院胡小玉課題組發(fā)文探究負向轉錄延伸因子復合物NELF在巨噬細胞活化過程中的動態(tài)變化及其作用機制
2020年5月8日，清華大學醫(yī)學院胡小玉課題組在《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。此項研究通過多種組學手段如Pro-seq等全面繪制了巨噬細胞活化過程中起始后（即轉錄延伸階段）基因組圖譜，闡述了轉錄延伸負向調(diào)控因子NELF復合物在活化過程中的動態(tài)變化，并意外揭示了NELF作為炎癥反應正向調(diào)控因子的作用。
巨噬細胞基因表達的調(diào)控研究大多聚焦于RNA聚合酶II招募和轉錄起始的發(fā)生，而本課題組之前的研究（Shang et al, Nature Immunology 2016）顯示轉錄因子Hes1在轉錄延伸階段調(diào)控趨化因子Cxcl1基因的表達，這提出了一個重要的科學問題：轉錄延伸調(diào)控如何影響巨噬細胞的基因表達？Pol II轉錄延伸分為早期延伸和晚期延伸（高效轉錄延伸）兩個階段?；蜣D錄起始后，Pol II從基因的TSS區(qū)域脫離，轉錄一段短的初始RNA，然后暫停于轉錄起始位點附近約20-60個核苷酸的位置，這一現(xiàn)象被稱為Pol II暫停（Pol II pausing），是基因轉錄延伸的一個重要檢查點。負向延伸因子NELF是介導Pol II轉錄暫停的關鍵因子，而招募活化的P-TEFb被認為是釋放暫停Pol II和啟動高效轉錄延伸的重要步驟。于是，課題組研究人員以Pol II、NELF和P-TEFb為切入點，探究轉錄延伸對巨噬細胞基因表達的調(diào)控作用。
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)的巨噬細胞中是普遍存在的現(xiàn)象，而且負向延伸因子NELF與暫停Pol II共定位。同時，巨噬細胞重要的轉錄因子PU.1有助于Pol II和NELF在轉錄起始位點附近的定位，一旦缺失PU.1將導致Pol II和NELF在基因TSS的豐度降低?；罨碳l件下，在60%的巨噬細胞轉錄組中觀察到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的表達對LPS誘導的NELF解離過程沒有影響，而之前的研究大多認為CDK9能夠磷酸化NELF并導致其從染色體上解離。隨后，研究人員構建了髓系特異性缺失NELF的小鼠，發(fā)現(xiàn)NELF缺失對穩(wěn)態(tài)條件下巨噬細胞的發(fā)育和基因表達影響甚微，但是影響巨噬細胞激活狀態(tài)的基因表達，其中NELF缺失通過增強轉錄因子復合物AP-1編碼基因Fos和Jun（NELF+基因）的表達從而上調(diào)NELF-基因（如Il10）。NELF缺失的巨噬細胞中IL-10分泌增加，進而下調(diào)促炎細胞因子TNF、IL-6、IL-12p40的產(chǎn)生，最終導致小鼠腹膜炎模型中炎癥反應的削弱。
本研究提出了將巨噬細胞活化過程中轉錄延伸區(qū)分成兩個步驟，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的動態(tài)解離，而是促進Pol II有效延伸過程。這些結果豐富了轉錄延伸調(diào)控的理論，并為進一步在免疫細胞中闡述轉錄延伸的效應及其機制提供了鑒戒。值得一提的是，幾乎與本文同時期發(fā)表的一篇來自美國西北大學研究者的文章（Molecular Cell 2020 Apr; 78:261）在完全不同的體系，如熱休克反應，中觀察到高度一致的NELF動態(tài)變化以及P-TEFb不相關的作用機制，驗證了我們提出的模型的普適性。
清華大學醫(yī)學院胡小玉和美國康奈爾醫(yī)學院Inez Rogatsky教授為本文的共同通訊作者，CLS項目2013級博士研究生余莉和醫(yī)學院2015級博士研究生張彬為本文的共同第一作者。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對本研究做出了重要貢獻。本研究同時還得到了山東農(nóng)業(yè)大學的商營利教授、喬治華盛頓大學的Rong Li 教授的大力支持。該研究得到了國家自然科學基金委、科技部、清華大學-北京大學生命科學聯(lián)合中心、清華大學免疫學研究所以及NIH的資助。
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https://www.nature.com/articles/s41467-020-16209-5
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