日期：2020/12/22
杂志：PNAS
原文标题：A long noncoding RNA, LncMyoD, modulates chromatin accessibility to regulate muscle stem cell myogenic lineage progression
原文链接：https://www.pnas.org/content/117/51/32464
来源：香港 The Hong Kong University of Science and Technology
摘要
表观遗传调控可以改变转录因子的靶向染色质区域的可及性。染色质可及性的调节决定了要表达的转录本，进而决定了细胞的身份。 细胞命运决定过程中的染色质调节涉及非常复杂的调控网络，本文概况了肌肉干细胞激活过程中染色质可及性的全局视图。 确定了一个长的非编码RNA（lncRNA）LncMyoD，它通过调节染色质的可及性来调节细胞谱系。 功能分析表明，LncMyoD的丧失会严重损害成纤维细胞重编程为成肌谱系，并导致肌肉干细胞分化缺陷。 该发现为通过lncRNA调节肌肉干细胞成肌谱系进程提供了表观遗传机制。
内容
在肌肉干细胞中，尚不清楚在细胞命运确定过程中如何调节染色质可及性的表观遗传机制。本研究确定了一个长的非编码RNA，LncMyoD，它可以作为染色质调节剂，用于成肌谱系的确定和发展。肌肉干细胞中LncMyoD的耗尽导致肌原性基因的下调和肌原性分化的缺陷。 LncMyoD仅与MyoD结合，而不与其他肌源性调节因子结合，并促进靶基因的反式激活。LncMyoD的丢失阻止了在含有肌源性E-box的区域建立许可的染色质环境，从而限制了MyoD的结合。此外，LncMyoD的耗竭严重损害了成纤维细胞重编程为成肌谱系。
在真核染色质中，许多DNA被掩埋在核小体中，而组蛋白和高维度染色质结构在空间上阻碍了转录因子（TF）进入其靶序列的可及性。染色质区域的可及性决定了细胞的转录组，因此导致细胞类型的非均质性。先驱TF能够结合到沉默或封闭染色质区域中的目标位点。这样的初始结合可以主动打开局部染色质，以便与其他因子结合，从而在基因调控网络中引起明显的变化，这对于细胞命运的变化和细胞的重新编程至关重要。然而，据报道，核心多能性先驱TF，Oct4，Sox2和Klf4受益于与其他TF的协作相互作用。同样，NRF1的结合受到其目标基序的DNA甲基化状态的限制，这取决于周围TF motif。
对哺乳动物基因组的探索揭示了一种新型的RNA调节因子：长非编码RNA（lncRNA）。 lncRNA被定义为超过200个核苷酸的转录本，但没有蛋白质编码潜能。这类RNA与信使RNA具有相似的染色质特性，可以用组蛋白3赖氨酸4三甲基化（H3K4me3）标记的活性启动子和H3K36me3标记的基因体进行鉴定。已经发现lncRNA在多种生物过程中起着基本作用，包括X染色体沉默，干细胞维持和分化以及细胞命运编程和重新编程。对lncRNA功能的进一步机理研究表明，它们通过染色质调节来调节转录。例如，HOTTIP直接与WDR5结合，并通过染色体环在其靶基因以促进转录。HOTAIR与Polycomb阻抑复合物2（PRC2）物理关联，并在数百个靶向位点上增加H3K27me3标记。另一个lncRNA SRA与p68结合，以稳定与CCCTC结合因子的内聚相互作用，从而促进通过染色体环的长距离相互作用的建立。此外，在小鼠胚胎干细胞中鉴定出约9000个与PRC2相关的lncRNA。
lncRNA已经被发现能够调节肌肉的发育和分化。 Dum，LncMyoD和Linc-YY1被MyoD直接激活，以通过沉默Dppa2表达，抑制IMP2介导的mRNA翻译以及从靶标启动子上解离YY1 / PRC抑制复合体来促进成肌分化。
在这项研究中，作者通过ATAC-seq显示在调节肌干细胞成肌谱系进展的染色质可及性中鉴定了lncRNA LncMyoD。 LncMyoD的丧失导致肌原性相关基因的下调和SC分化中可观察到的表型缺陷。LncMyoD与MyoD相关联，以促进为肌原性基因激活建立可及的的染色质环境，并且对于肌原性谱系的确定和进展至关重要。
染色质可及性在肌肉干细胞SC激活期间发生变化。
全基因组表观遗传分析表明，SC在激活过程中显示出显着的染色质可及性变化。 与先前的报道一致，SCs在激活过程中显示出H3K4me3和H3K27me3组蛋白标记的信号增加（图1 A，B和C）。此外，使用ATAC-seq数据分析核小体的占有率表明，在激活过程中，SC在基因的转录起始位点（TSS）区域周围发生核小体去除事件（图1D）。结果表明，SC激活过程中染色质结构的变化会影响TF的结合，因此可调节SC的转录组情况，以促进成肌谱系的发展。
总结
本研究证明了lncRNA LncMyoD在调节成肌谱系确定和进展中的作用。 LncMyoD直接与MyoD结合以暴露出紧凑的含E-box的染色质，并促进MRF进入其靶标调控区。 此外，LncMyoD的丢失会导致SC分化的缺陷，并严重损害非肌源性细胞向肌源性细胞谱系的重编程。 结果提供了有关lncRNAs如何调节染色质可及性以调节细胞谱系确定和进展的见解。
