非編碼 RNA(ncRNA), 如小分子 RNA 和基因間長鏈非編碼 RNA 在調控多能性方面發揮著重要的作用. 然而, 天然反義轉錄物(NAT)在胚胎干細胞中的作用并不清楚。近期來自南開大學生命科學學院, 天津醫學表觀遺傳學協同創新中心等處的研究人員通過數字基因表達譜發現在小鼠胚胎干細胞中存在廣泛的 NAT 表達, 隨后證實了Oct4, Nanog和Sox2這3個關鍵的多能性基因存在NAT的表達. 并且, 過表達Sox2的NAT可以在蛋白水平上降低 Sox2 的表達, 同時在轉錄水平上對 Sox2 有輕微的上調作用. 這項研究數據表明, NAT和其他的 ncRNA一樣, 參與了多能性的維持。

天然反義轉錄物(natural antisense transcript, NAT)屬于 lncRNA 家族, 它們與對應的正義 RNA 分別以 DNA 的不同單鏈為模板進行轉錄, 而且和正義轉錄物有一定的重疊. NAT首先在細菌中發現, 隨后在真核生物中也證實了 NAT 的存在.

隨著基因組技術的不斷發展, 研究表明, NAT 在多個物種的基因組范圍內廣泛存在, 包括小鼠(Mus musculus)和人類[13~15]. 但是, NAT 的豐度較低, 通常少于其正義轉錄物的 1/10. NAT 以多種機制發揮著功能, 例如 DNA 復制干擾、染色體重塑、轉錄調控、RNA掩蔽、雙鏈 RNA 介導的 sirna 干擾以及翻譯干擾等方面.

胚胎干細胞(embryonic stem cell, ESC)是將囊胚的內細胞團體外培養而得到的一種細胞. ESC能夠不斷地進行自我更新, 并且具有分化成為機體所有類型細胞的潛能. 因此, ESC 在發育生物學研究、藥物發現以及細胞移植治療等方面有著巨大的應用價值. 3 個關鍵轉錄因子—Nanog, Oct4 和 Sox2, 形成了一個核心的調控環路, 以維持 ESC 的多能性. ncRNA 在多能性維持以及重編程過程中同樣發揮著重要的作用.

Dicer 敲除的 ESC 無法產生siRNA 和 miRNA, 從而降低了細胞的增殖和分化能力. 同樣, 缺少 DGCR8—miRNA 合成過程中必需的一個 RNA結合蛋白, 導致 ESC在分化過程中不能完全下調多能性基因, 依舊保持 ESC 的克隆狀態. 研究表明, 很多基因間長鏈非編碼 RNA(large intergenic non-coding RNA, lincRNA)對于 ESC 特異基因的表達是必需的. 同時, lincRNA和miRNA能夠促進重編程過程. 此外, 在沒有外源重編程因子的條件下, 只用 miRNA 同樣可以將體細胞重編程到多能性的狀態.

由此可見ncRNA 在多能性細胞中有著重要的作用. NAT 在人和小鼠的 ESC 也有表達. 但是, 因為實驗方法和研究關注點的不同, 尚未對 ESC 的NAT 進行全基因組水平的分析.

為此，在這項研究中，研究人員首先利用數字基因表達譜(digital gene expression tag profiling, DGE)的方法證明了在小鼠 ESC 中, NAT 在基因組范圍內廣泛表達.

隨后, 通過單鏈特異引物反轉錄PCR(strand-specific reverse transcription-PCR)的方法, 證實了 3 個多能性關鍵基因 Nanog, Oct4 和 Sox2 的NAT 表達, 并通過 cDNA 末端快速克隆(rapid amplification of cDNA end, RACE)的方法確定了這些NAT 的末端.

此外，這項研究還發現, Sox2-NAT 能夠在轉錄后水平上抑制Sox2蛋白的表達, 而Oct4-NAT對Oct4的作用并不明顯. 總的來說，這一研究結果表明, NAT 在小鼠 ESC 中廣泛存在, 并且通過調控多能性基因的表達來參與 ESC 多能性的維持.

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