百人計劃范祖森團隊揭示非編碼RNA維持細胞靜息態的機制

　　在國家自然科學基金重大研究計劃項目（項目編號：91640203）等資助下，中國科學院生物物理研究所范祖森研究員在環狀RNA調控造血干細胞穩態機制領域取得突破進展，揭示了一類特殊的環狀RNA維持LT-HSCs （Long-term Hematopoietic Stem Cells，長期造血干細胞）靜息態的分子機制。研究成果以“A Circular RNA Protects Dormant Hematopoietic Stem Cells from DNA Sensor cGAS-Mediated Exhaustion”（一類環狀RNA抑制由DNA感受器cGAS所介導的長期造血干細胞耗竭）為題，于4月3日在著名學術期刊Immunity（《免疫》）上在線發表。

新型環狀RNA（cia-cGAS）在LT-HSCs（長期造血干細胞）中抑制DNA感受器（cGAS）與自身DNA的結合，從而維持造血干細胞靜息態。

　　成人的造血干細胞在骨髓內絕大多數以靜息狀態存在，同時保持著自我更新及分化的潛能。長期造血干細胞（Long-term HSCs , LT-HSCs）作為潛能最高的干細胞系，為短期造血干細胞、多能干細胞等祖細胞提供了持續性細胞補給。然而，造血干細胞的干性維持受轉錄因子及骨髓內環境等多種因素的影響，它們在平衡靜息狀態與激活狀態之間的精細調控機制尚未完全得到解析。

　　“基因信息傳遞過程中非編碼RNA的調控作用機制”重大研究計劃的重要科學問題之一就是“發現與遺傳信息傳遞相關的新的非編碼RNA，特別是長非編碼RNA及其功能”。范祖森研究員課題組為篩選和發現新的環狀RNA在造血干細胞中的功能，首先從小鼠骨髓中分別分離了長期造血干細胞（LT-HSCs）與多能干細胞（multipotent progenitor cells ，MPPs），并在轉錄組水平解析二者的基因表達譜，發現D430042O09Rik基因可表達一類特殊的環狀RNA，在LT-HSCs的細胞核內高度表達，其缺失會引起小鼠骨髓中靜息態LT-HSCs的急劇減少。進一步研究發現，D430042O09Rik基因的敲除可引起LT-HSCs內I型干擾素的表達升高，這種環形DNA還與一種重要的DNA感受器分子----環狀GMP-AMP合成酶（Cyclic GMP-AMP (cGAMP) synthase , 簡稱cGAS）發生相互作用。他們把這種環狀RNA命名為cGAS拮抗環狀RNA （circular RNA antagonist for cGAS，cia-cGAS）。

　　cGAS作為胞質DNA感受器已被廣泛研究。在結合DNA時，cGAS會催化cGAMP的生成，cGAMP能結合干擾素刺激因子（Stimulator of Interferon Genes，STING，又稱為MITA）并誘導cGAS-STING信號通路的激活，從而上調I型干擾素（type I IFN）的表達和一系列免疫反應。cGAS不僅可以識別病原性DNA，還可識別機體自身DNA。在造血干細胞中，細胞核內的cGAS是如何避免與自身DNA結合并防止自身免疫反應和機體損傷，仍少見研究報道。范祖森研究員課題組的本項工作中，進一步從分子機制角度對cGAS拮抗環狀RNA如何維持造血干細胞穩態進行探討，結果提示，cia-cGAS在LT-HSCs中與cGAS分子形成復合物，抑制了cGAS的酶活性，因此阻礙了cGAS結合基因組DNA，從而不能激活I型干擾素的表達。動物實驗顯示，在cia-cGAS敲除的小鼠中，poly（I:C）（一種合成型的雙鏈RNA(dsRNA)的類似物）與HSV病毒的刺激均可導致大量I型干擾素的產生，從而誘發自身免疫性疾病。

　　該研究不僅發現了一個起源于D430042O09Rik 基因轉錄本的環狀RNA（研究人員將其命名為cia-cGAS），而且探討了這個新型環狀非編碼RNA對造血干細胞的干性維持的分子機制機制，為有效防治自身免疫性疾病與血液系統惡性腫瘤提供了新思路和潛在藥物研發靶標。