许多病理条件，例如高血糖和慢性炎症相关的糖尿病，都会导致内皮细胞（EC）功能障碍。功能障碍会使EC发生转录变化，损害细胞稳态功能，同时诱导促炎和促纤维化反应。已有研究显示，超级增强子（SE）在EC炎症转录中具有重要性。此前，City of Hope陈真团队的研究表明，增强子来源的lncRNA可以通过染色体间RNA-染色质相互作用促进内皮型一氧化氮合酶的转录。鉴于许多增强子被转录为染色质相关RNA，那么这种RNA在EC功能障碍的转录调控中起到怎样的作用？RNA-染色质互作又如何影响个体健康和疾病，如糖尿病？
文章发表在Nature Communications上
为了解上述问题，钟声团队联合City of Hope贝克曼研究所陈真团队分析了糖尿病相关的EC功能障碍中，RNA-染色体互作是如何变化的，以及这些变化在多大程度上会影响细胞表型和功能。研究团队利用单细胞RNA测序、三维基因组测序（Hi-C），RNA-DNA相互作用测序（iMARGI）技术，发现功能失调的EC中显示出大量的染色体间RNA-染色质互作，尤其是来自不同染色体的SE中。并在功能失调的EC中鉴定出一种新的相互作用，涉及2号染色体上与LINC00607重叠的SE和7号染色体上与SERPINE1 / PAI-1重叠的SE 。研究发现，抑制LINC00607会干扰RNA-染色质互作，抑制SERPINE1和其他导致内皮功能障碍的基因表达，并抑制单核细胞粘附和EC衰老。当地时间10月15日，该研究成果发表在Nature Communications上。
钟声教授表示：“通过分析健康人和糖尿病患者在血管内皮恶化过程中的基因、转录组等分子生物机理变化，我们发现了一类新的血管恶化分子机制。这种新机制是通过改变染色体上结合的RNA来形成看似不可避的血管内皮细胞恶化。该研究找到了干预糖尿病引起的血管恶化的全新途径。”
首先，研究团队利用高血糖和TNFα（H + T）诱导EC功能障碍，建立了一个EC功能障碍体外模型，从而模拟糖尿病中的常见应激反应。模型构建成功后，研究人员利用单细胞RNA测序、Hi-C、iMARGI技术分别表征了H + T诱导的基因表达变化、DNA互作以及RNA-染色质互作。
图1.实验流程设计及单细胞RNA测序分析。
分析发现，在H + T处理下，功能障碍EC显示出大量的染色体间RNA-染色质互作，尤其是来自不同染色体的SE中，并随着治疗延长而增加。这些SE与促进EC功能障碍多方面的关键调控基因重叠，包括炎症、细胞外基质重塑。
单细胞转录组数据显示，功能障碍EC发生了明显的转录变化，且这种变化具有异质性。（图1）研究团队鉴定出数百个差异表达基因，其中始终稳定上调的有181个，始终稳定下调的有173个。差异表达基因的后续通路富集分析表明，引起EC功能障碍的关键途径大量富集，诱导了许多基因以促进炎症反应。除蛋白质编码基因外，该研究还检测到几种lncRNA作为差异表达基因，包括上调的LINC00607、LINC01013和LINC02154，以及下调的LINC01235。
结合已有研究数据，研究团队认为，染色体间的RNA-染色质互作会激活目标基因组区域中的关键基因，从而导致EC功能障碍。为了验证这一论点，研究团队通过抑制从SE转录的ncRNA，干扰了两个SE之间的RNA–染色质互作，发现只有LINC00607被报道为H+T诱导的lncRNA。
图2.抑制LINC00607减弱了SERPINE1表达和EC功能障碍。
为了解RNA-染色质互作与EC能障碍相关基因表达之间的因果关系，研究团队抑制了LINC00607 RNA。结果显示，抑制LINC00607会干扰RNA-染色质互作，减弱SERPINE1的表达，并抑制单核细胞粘附和EC衰老。（图2）表明LINC00607 RNA在功能异常的EC中可促进SERPINE1转录。值得关注的是，研究团队分析H+T处理的EC和糖尿病患者EC的单细胞RNA测序数据发现，与健康对照EC相比，功能障碍EC中LINC00607和SERPINE1在同一个单细胞中的共表达频率更高。（图3）
图3. 功能障碍EC中单细胞LINC00607–SERPINE1共表达增加。
此外，研究团队还利用Hi-C分析了H+T是否会诱导三维基因组结构的任何变化。数据表明，H+T不会显著干扰三维基因组的主要特征。在三维基因组结构中未发现全基因组范围的变化，这与观察到在同一时间过程中单细胞转录组仍为单个簇的结果一致。
图4. Hi-C（a）和iMARGI（b）数据中染色体内（黄色）和染色体间read对（蓝色）的比例。
图5. iMARGI read对映射到RNA末端或DNA末端的比例。
同时，研究发现，利用iMARGI鉴定的染色质相关RNA富含增强子RNA，甚至还富含SE的转录物。超过17％的iMARGI reads能比对到SE的RNA或DNA末端，其中比对到RNA末端的比DNA末端高1.7倍。与基因组平均值相比，比对到SE的iMARGI reads数更多。表明在RNA-染色质互作中，SE组成了一个子网络，并且两个SE之间的RNA–染色质互作是相互的。
EC功能障碍是一种与多种疾病密切相关的生物学过程。该最新研究发现RNA-染色质互作有助于EC功能障碍过程中的转录调控，揭示了增强子衍生的RNA–染色质互作在全基因组中的普遍性，并提供了支持其在EC生物学中功能重要性的证据。研究团队认为，或可通过抑制RNA-染色质互作来干预糖尿病患者的血管恶化，从而开发新的相关治疗方法。
参考资料：
Stress-induced RNA–chromatin interactions promote endothelial dysfunction. Nature Communications, 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-020-18957-w
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