余佳课题组揭示miRNA加工调节新元件及机理

        余佳课题组在《Nature Communication》，《Cell Research》及《Nucleic Acids Research》发表系列论文证明microRNA初级转录本核酸序列存在多种顺式作用元件并阐明其RNA加工机理及生物学功能。

        miRNA是众多非编码RNA分子中研究较早，也较为深入的一类，其通过与靶标基因3’UTR的配对，调节靶标基因mRNA的稳定性或翻译，从而参与细胞命运决定、个体发育及疾病发生等众多生理病理过程。相对于miRNA的靶基因及其作用的下游通路，其自身的生物发生过程及调控环节仍知之较少。目前所知，除经典的Drosha-Dicer通路外，也发现了不依赖于Drosha（如：mirtron、endo-shRNA-derived miRNA）或Dicer（miR-451）的新型miRNA生物发生途径。也有部分研究表明RNA结合蛋白(RBP)可通过与miRNA初级转录本（pri-miRNA）或miRNA前体（pre-miRNA）的茎环区(stem loop)结合，参与其生物发生的调节。这些发现都进一步提示miRNA的生物发生过程存在多样化的调节模式和调控机制。

        余佳课题组近年来一直致力于从非编码RNA调控的角度解析造血发育的机理，miRNA也是其重点关注的一类分子。在最新研究中，余佳课题组首先发现在造血红细胞生成过程中存在pri-miRNA与成熟miRNA表达趋势不一致的现象，其中以miR-124-1最为典型：miRNA-124-1的初级转录本（pri-miR-124-1）随红系分化逐渐升高的同时，成熟的miR-124-1却逐渐较少。该发现提示红细胞中miR-124-1的生物发生过程存在明显的转录后加工调节环节，并且该调控直接导致miR-124-1的基因虽然被激活，但其终产物却被抑制。课题组成员发现RNA结合蛋白QKI5，通过与pri-miR-124-1上距离miR-124-1 stem-loop上游~300nt的一个功能性RNA元件的识别和结合，增强了Drosha/DGCR8复合物的募集，从而介导了该调控作用。最为重要的是，这是首次发现的miRNA stem-loop之外的远距离作用元件可以调节pri-miRNA的加工，乃至成熟miRNA的产生。研究组还进一步揭示RNA分子的这种远距离作用机制与DNA十分相似，也是通过RNA loop使功能性元件在空间上相互接近，并因此命名为：“RNA processing enhancer”。不仅如此，QKI5介导的pri-miR-124-1的转录后调控对于红细胞生成也具有重要的生理意义：QKI5和miR-124-1均具有抑制红系发育的能力，而pri-miR-124-1的高效加工又依赖于QKI5的协助。这就造成：在正常红系分化过程中QKI5表达下降，削弱了pri-miR-124-1的加工效率，导致成熟miR-124-1生成受阻，从而确保红细胞的正常产生。研究结果发表于2017年3月份的《Cell Research》杂志。生化与分子生物学系的王芳副教授，宋伟副研究员及博士生赵红梅为共同第一作者，余佳研究员为该工作的唯一通讯作者。(文章链接：https://www.nature.com/articles/cr201726)

        随后，该课题组成员还发现在造血粒系/单核系命运选择过程中也存在类似的miRNA转录后加工调节现象，并以miR-129-1为例，阐述了另一个可与RNA结合的蛋白质KSRP，通过与pri-miR-129-1上三个功能性RNA元件的识别和结合，介导了该调控作用。同时，该课题组成员也发展了一系列新型内源性的蛋白质互作和体内RNA加工技术来证明它们之间的相互作用。有趣的是，KSRP、pri-miR-129-1和miR-129-1在粒系和单核系分化过程中的表达趋势完全相反，KSRP和miR-129-1的功能也表现为促进粒系发育，抑制单核系发育，说明该调控作用不但在不同的造血谱系发育中具有不同的生理效应，而且还调控了粒系/单核系命运选择。为进一步筛选具有类似作用的RNA结合蛋白，余佳课题组与哈尔滨医科大学生物信息学院王栋课题组合作，通过二代测序技术获得了人造血干细胞向粒系/单核系分化过程的动态RBP表达谱，并定义了多个类似KSRP功能的RBP。此部分研究结果在线发表于2017年11月份的《Nature Communication》杂志。博士生赵红梅，助理研究员王晓爽，重庆医科大学附三院易萍副教授为共同第一作者，余佳研究员，王芳副教授，王栋教授为共同通讯作者。(文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-017-01425-3)

        以上发现虽然涉及不同的造血谱系，各异的RNA结合蛋白和pri-miRNA分子，但其调节的本质都是以RNA结合蛋白与RNA分子的相互作用为基础，而RNA与其他多种调控分子的广泛互作关系正是高等真核生物体内转录后水平调节的共有分子基础。基于这样的认识，余佳课题组与哈尔滨医科大学王栋课题组合作，开发了RNA互作数据库：RAIDv2.0。该数据库包含了大于5,236,366 次基于实验证实的RNA-蛋白质，RNA-RNA相互作用事件。为以RNA-蛋白质或RNA-RNA互作为分子机制的基因功能研究提供了开放资源。此部分研究结果发表在2017年1月份的《Nucleic acids research》杂志。王栋课题组硕士生胡永飞为第一作者，王栋教授，余佳研究员，及哈尔滨医科大学李晓波教授为共同通讯作者。(文章链接：https://academic.oup.com/nar/article/45/D1/D115/2572069)

        这一系列工作由中国医学科学院医学与健康科技创新工程创新团队项目（2017-12M-3-009，2016-12M-3-002）, 国家重点研发专项，国家自然基金委重大研究计划、重点项目支持。