一种含有逆转录元件的新长链非编码RNA对胚胎干细胞多能性维持的调控机制研究

Retroelement can act as important functional domains of certain long noncoding RNAs (lncRNAs). They could participate in the regulation of cell fate decision. Some retroelements are specifically expressed in embryonic stem cells. To apply embryonic stem cells in regenerative medicine, it is critical for us to be able to manipulate fates of ESCs to expand them and differentiate them to a specific lineage. Therefore, it is worth to study the role of retroelement-containing lncRNAs and the role of noncoding retroelement RNA domains in embryonic stem cells. We proposed to 1) use bioinformatics tools to identify unannotated lncRNAs that are uniquely expressed in embryonic stem cells and screen out novel lncRNAs that regulate pluripotency; 2) determine the full length of candidate lncRNAs and their upstream regulators; 3) uncover the downstream target genes of candidate lncRNAs and the localization of lncRNAs in embryonic stem cells; 4) characterize proteins interacting with candidate lncRNAs and proteins associated with noncoding retroelement RNA domain inside lncRNAs to deduce the functions of lncRNAs containing retroelements in the same class. Through above experiments, we aim to understand the mechanism of novel lncRNAs in regulating the pluripotency maintenance in ESCs and the universal role of the same retroelement RNA domain within different lncRNAs.

逆转录元件可以担任某些长链非编码RNA（long noncoding RNA，lncRNA）的重要功能区域，它们可参与调控细胞命运决定。一些逆转录元件在胚胎干细胞（embryonic stem cell， ESC）中特异表达。在再生医学中应用ESC需要精确控操控其命运以扩增ESC并分化其为所需细胞。因此我们将探索lncRNA及其所含反转录转座子RNA区域在ESC中调控多能性维持的机制。我们将1）通过生物信息学挖掘含有逆转录元件且调控ESC多能性的新lncRNA；2）确定新lncRNA的全长及上游调控模式；3）分析lncRNA的靶基因及其在ESC中的位置；4）鉴定与lncRNA及其所含逆转录元件RNA结合的蛋白，并探究含有相同逆转录元件的其它lncRNA的功能。通过此研究，我们将解析新的lncRNA在ESC中对多能性维持的调控机制及同一逆转录元件RNA域在不同lncRNA中的普适性功能。

逆转录元件不仅在胚胎干细胞中高度表达，其还是长链非编码RNA(lncRNA）的重要组成部分，然而反转座子衍生的lncRNA及其所含反转座子在胚胎干细胞中的功能仍然未知。因此本课题研究反转座子衍生的lncRNA的表达与其调控干细胞多能性及分化潜能的机制。本课题首先鉴定了反转座子衍生的新lncRNA Lx8-SINE B2的全长序列，接着揭示了其在胚胎干细胞中的特异表达是由多能性核心转录因子Oct4与Sox2结合的反转座子ORR1D2所驱动。功能研究发现Lx8-SINE B2缺失激活分化基因表达并影响胚胎干细胞增殖。而且其调控胚胎干细胞的自我更新和细胞周期，也调控体细胞重编程的效率。机制上Lx8-SINE B2作为lncRNA主要位于细胞质中调控多种代谢途径，尤其是糖酵解进程。其也可以与代谢酶Eno1结合，其敲降影响Eno1表达。Eno1同样调控胚胎干细胞中多能性基因表达与糖酵解。意味着Lx8-SINE B2和Eno1相互作用并调节彼此的表达，从而促进代谢基因的表达并影响糖酵解。此外，我们还研究了逆转录元件MERVL衍生的lncRNA的功能，发现lncRNA中MERVL与多种RNA结合蛋白互作并调控胚胎干细胞中全能性相关基因的表达。我们的研究揭示了逆转录元件衍生的lncRNA在胚胎干细胞中的重要功能与作用机制，有助于从转座子层面上理解胚胎干细胞的命运决定，对精确调控胚胎干细胞命运与应用胚胎干细胞于转化医学有重要的意义。