由染色质调控的基因隐秘转录参与哺乳动物干细胞衰老
细胞老化有其独特而明显的分子表型特征，但其诱导机制尚不完全清楚，基因隐秘转录 (cryptic transcription) 便是其中之一。基因隐秘转录现象是指基因在某些突变体中或应激情况下，开始从本应该被抑制的下游“类启动子 (promoter-like) ”区域起始转录，并产生与基因原功能不符或无意义的短转录本。此前，党巍巍团队发现隐秘转录现象会随着酵母和秀丽隐杆线虫的衰老而频繁出现，且抑制其发生可显著提升个体寿命。近年来虽然曾有过报道显示在小鼠胚胎干细胞的一些基因的突变体中存在隐秘转录，然而这种现象在正常衰老的高等哺乳动物组织细胞中是否存在，仍然未知。
2021年8月2日，美国贝勒医学院党巍巍课题组于Nature Aging杂志发表了题为Altered chromatin states drive cryptic transcription in aging mammalian stem cells的研究论文。该研究运用多种转录组和表观遗传组测序技术，证实了基因隐秘转录是多种哺乳动物干细胞衰老共有的分子特征，并进一步发现染色质状态的改变是基因隐秘转录的诱因之一。
团队首先以人体间充质干细胞 (mesenchymal stem cell) 为研究对象, 通过分析RNA-seq外显子转录、5’capped mRNA 5’-UTR测序(DECAP-seq)和RNA Pol2 ChIP-seq数据，确认基因隐秘转录随细胞衰老增多，并精确定位了隐秘转录的起始位点。进一步研究发现，隐秘转录现象在多种衰老的哺乳动物细胞和组织中广泛存在，包括小鼠的造血干细胞和衰老的人体原代成纤维细胞。有意思的是，隐秘转录仅在衰老小鼠激活的神经干细胞中存在，在静息的神经干细胞中没有发现。而且特别值得一提的是，在激活的神经干细胞中的隐秘转录具有显著的性别差异。这一现象与神经发生在细胞增殖、抗压等方面的性别差异类似。
随后，通过对比年轻与年老细胞在全基因组DNA甲基化 (5mC) 和DNA 5-羟甲基胞嘧啶甲基化 (5hmC) 方面的差异发现，隐秘转录起始区域整体DNA甲基化水平下降，但去甲基化过程中间产物5hmC并未降低，且平均含量高于其他基因组区域。由于整体DNA甲基化水平是由DNA甲基化(de novo DNA methylation)和去甲基化(demethylation) 双向调控，该区域的整体DNA甲基化水平下降是由减弱的DNA甲基化而非增强的DNA去甲基化所导致。而招募DNA甲基化酶的信号正是基因中部特异性的组蛋白共价修饰H3K36me3。
研究人员发现，与年轻细胞相比，在衰老细胞中，这些基因中部的隐秘转录起始位点的H3K36me3标记水平显著降低，而H3K4me3、H3K4me1和H3K27ac等启动子增强子的特异性标记都有不同程度的显著增加，表明这些区域的染色质状态发生了根本的变化。根据这些隐秘转录起始位点的表观遗传特征，研究团队建立了可用于预测隐秘转录发生的表观遗传模型，并进行了验证。值得一提的是这些隐秘转录起始位点在年轻细胞中就已经有对转录起始起关键作用的转录因子TBP的结合，说明这些区域的确被细胞识别为启动子，只是在年轻细胞中染色质高H3K36me3、高DNA甲基化、低启动子增强子标记的状态决定了这些隐秘启动子被抑制。而在衰老的细胞中该区域中抑制性的染色质被突破了，导致了隐秘启动子的激活和隐秘转录本mRNA的表达。
目前，对于隐秘转录本的生理作用和对衰老细胞功能影响的认识仍然十分模糊。虽然抑制隐秘转录可以延长酵母细胞寿命，这样的手段能否真正延缓哺乳动物干细胞的衰老、增强干细胞功能，仍然有待研究和验证。此外，这些隐秘转录本如何影响衰老细胞的功能仍需进一步探索。
间充质干细胞在医疗中的应用潜力巨大，可分化成骨细胞、脂肪细胞和软骨细胞等多种细胞，具有加速术后组织修复和抑制炎症反应的效果。本项目首次将间充质干细胞衰老和基因转录异常现象关联起来，揭示了基因隐秘转录现象的表观遗传学特征和相关分子机制，阐明了转录保真度在个体和细胞衰老中的重要作用，为延缓、甚至逆转间充质干细胞衰老，提出了新的可能。
本文第一作者为贝勒医学院Brenna S. McCauley博士和孙鲁阳博士，其他研究人员包括贝勒医学院俞若凡博士、刘海英技术员、MD安德森癌症中心Minjung Lee博士、斯坦福大学Dena S. Leeman博士、德州农工大学黄韵教授、和布朗大学的Ashley E. Webb教授。
