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清华大学医学院胡小玉课题组发文探究负向转录延伸因子复合物NELF在巨噬细胞活化过程中的动态变化及其作用机制 时间:2020-05-10

2020年5月8日,清华大学医学院胡小玉课题组在《Nature Communications》杂志在线发表了题为“Negative elongation factor complex enables macrophage inflammatory responses by controlling anti-inflammatory gene expression”的研究论文。此项研究通过多种组学手段如Pro-seq等全面绘制了巨噬细胞活化过程中起始后(即转录延伸阶段)基因组图谱,阐述了转录延伸负向调控因子NELF复合物在活化过程中的动态变化,并意外揭示了NELF作为炎症反应正向调控因子的作用。

 

巨噬细胞基因表达的调控研究大多聚焦于RNA聚合酶II招募和转录起始的发生,而本课题组之前的研究(Shang et al, Nature Immunology 2016)显示转录因子Hes1在转录延伸阶段调控趋化因子Cxcl1基因的表达,这提出了一个重要的科学问题:转录延伸调控如何影响巨噬细胞的基因表达?Pol II转录延伸分为早期延伸和晚期延伸(高效转录延伸)两个阶段。基因转录起始后,Pol II从基因的TSS区域脱离,转录一段短的初始RNA,然后暂停于转录起始位点附近约20-60个核苷酸的位置,这一现象被称为Pol II暂停(Pol II pausing),是基因转录延伸的一个重要检查点。负向延伸因子NELF是介导Pol II转录暂停的关键因子,而招募活化的P-TEFb被认为是释放暂停Pol II和启动高效转录延伸的重要步骤。于是,课题组研究人员以Pol II、NELF和P-TEFb为切入点,探究转录延伸对巨噬细胞基因表达的调控作用。

 

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研究初期,课题组研究人员首先发现Pol II暂停在静息状态的巨噬细胞中是普遍存在的现象,而且负向延伸因子NELF与暂停Pol II共定位。同时,巨噬细胞重要的转录因子PU.1有助于Pol II和NELF在转录起始位点附近的定位,一旦缺失PU.1将导致Pol II和NELF在基因TSS的丰度降低。活化刺激条件下,在60%的巨噬细胞转录组中观察到Pol II的暂停-释放过程,且伴随着NELF在全基因组水平的动态解离过程。令人意外的是,抑制或敲低P-TEFb中激酶亚基CDK9的表达对LPS诱导的NELF解离过程没有影响,而之前的研究大多认为CDK9能够磷酸化NELF并导致其从染色体上解离。随后,研究人员构建了髓系特异性缺失NELF的小鼠,发现NELF缺失对稳态条件下巨噬细胞的发育和基因表达影响甚微,但是影响巨噬细胞激活状态的基因表达,其中NELF缺失通过增强转录因子复合物AP-1编码基因Fos和Jun(NELF+基因)的表达从而上调NELF-基因(如Il10)。NELF缺失的巨噬细胞中IL-10分泌增加,进而下调促炎细胞因子TNF、IL-6、IL-12p40的产生,最终导致小鼠腹膜炎模型中炎症反应的削弱。

 

本研究提出了将巨噬细胞活化过程中转录延伸区分成两个步骤,即‘暂停-释放’和‘有效延伸’的模型。此两步分别受到不同因子和不同机制的调控,NELF主要参与第一步Pol II暂停的调控,暂停Pol II的释放伴随着NELF从染色体上解离。与传统模型相异,P-TEFb并不参与NELF的动态解离,而是促进Pol II有效延伸过程。这些结果丰富了转录延伸调控的理论,并为进一步在免疫细胞中阐述转录延伸的效应及其机制提供了鉴戒。值得一提的是,几乎与本文同时期发表的一篇来自美国西北大学研究者的文章(Molecular Cell 2020 Apr; 78:261)在完全不同的体系,如热休克反应,中观察到高度一致的NELF动态变化以及P-TEFb不相关的作用机制,验证了我们提出的模型的普适性。

 

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清华大学医学院胡小玉和美国康奈尔医学院Inez Rogatsky教授为本文的共同通讯作者,CLS项目2013级博士研究生余莉和医学院2015级博士研究生张彬为本文的共同第一作者。此外,来自胡小玉课题组的博士研究生郭子毅、曾小敏以及Rogatsky课题组的Dinesh Deochand、Maria Sacta、Maddalena Coppo、David Rollins、Bowranigan Tharmalingam、Yurii Chinenov对本研究做出了重要贡献。本研究同时还得到了山东农业大学的商营利教授、乔治华盛顿大学的Rong Li 教授的大力支持。该研究得到了国家自然科学基金委、科技部、清华大学-北京大学生命科学联合中心、清华大学免疫学研究所以及NIH的资助。

 

原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-020-16209-5


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