8月17号，来自东南大学的林承棋与罗卓娟教授课题组在Nature Cell Biology发表题为“Young LINE-1 transposon 5’UTRs marked by elongation factor ELL3 function as enhancers to regulate naïve pluripotency in embryonic stem cells”的研究论文。该论文首次报道LINE-1 5’UTR可作为增强子，调控相邻基因活性，进而促进早期胚胎全能性的建立。
转座元件（TE）是一种可移动的遗传元件，可以随机整合到基因组的其他位置。历经了漫长的进化过程，转座元件大约占人类基因组的40%左右。TE促进了生物遗传多样性及基因组进化；但也可能产生有害突变，导致包括癌症在内的多种疾病。在胚胎早期发育过程中，重复元件的表达是动态的且阶段特异性的，大多数重复元件在着床前的表达是被抑制的。然而，合子基因组首次转录时，大量逆转录转座子的表达会被激活。其中LINE-1作为最丰富的一类逆转录转座子，在早期发育的特定阶段高度表达；LINE-1激活异常会干扰胚胎的发育进程，表明反转录转座子的激活是发育过程中不可或缺的一环。然而，LINE-1元件本身是否在胚胎发育及基因表达调控中发挥作用目前尚不清楚。
转录延伸因子ELL3 是RNA Pol II 延伸因子家族的成员，在胚胎干细胞中，ELL3与增强子结合，介导小鼠胚胎干细胞中RNA pol II在发育调节基因启动子近端的结合，调控干细胞谱系分化。在本研究中，研究人员发现在原始态胚胎干细胞中，ELL3主要结合在LINE-1转座子L1Md_T的5’UTR区域，抑制L1Md_T的活性，并阻止附近基因的过度激活。三维染色质构象micro-C组学数据及4C分析发现，L1Md_T 5’UTR与相邻基因的启动子存在相互作用，提示它们可作为一类增强子行使功能。进一步研究表明：ELL3通过募集TET1和SIN3A，调控L1Md_T 5’UTR上5hmc和H3K27ac水平，进而调控其增强子活性。
ELL3缺失细胞系的转录组学数据显示PI3K-AKT通路受到显著影响，其中关键调控因子AKT3的表达随着其基因序列内部L1Md_T上调而被激活。此外，mESC从naïve到primed状态转变过程中，ELL3的缺失也导致了ERK信号通路的激活受阻。在过表达AKT3的细胞中也检测到同样的现象，而对Akt3进行敲低可以部分挽救ERK信号通路的激活。由此进一步揭示ELL3可能通过抑制L1Md_T，调节AKT3-ERK信号通路，来调控小鼠胚胎干细胞全能性。有趣的是，AKT3-ERK信号通路在植入前胚胎全能性及第一次细胞命运决定发挥关键作用。研究人员通过siRNA在合子中敲低Ell3，发现囊胚期L1Md_T和Akt3的表达上调，ERK1/2磷酸化水平降低，囊胚内细胞团Gata4/Gata6激活显著受到抑制，提示ELL3亦可能通过类似机制调控在早期胚胎发育过程。
综上，通过结合表观遗传学、转录组学和基因功能分析，作者展示了在小鼠胚胎干细胞中，ELL3结合的L1Md_Ts可作为增强子，调控相邻基因表达。特别地，ELL3可通过抑制Akt3第一个内含子内的L1Md_T的增强子活性来抑制Akt3，从而调节RAF-ERK通路的激活和干细胞全能性。
东南大学生命科学与技术学院林承棋教授和罗卓娟教授为该论文的共同通讯作者。东南大学生命科学与技术学院博士生孟思妍、刘晓旭、朱诗琪，及生物科学与医学工程学院的谢芃教授为该论文的共同第一作者。东南大学生命科学与技术学院方海同、方可为该论文的共同作者。东南大学生命科学与技术学院谢维教授、孙飞教授，及昆明理工大学的陈凯教授亦参与了本项研究。
本研究获国家重点研发计划、国家自然科学基金、深圳市科技计划、云南省自然科学基金资助。
文章链接：https://rdcu.be/djLSS
供稿：生命科学与技术学院