生命科学学院雷凯团队揭示核仁纤维蛋白介导涡虫再生的翻译调控机制

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北京时间2024年11月20日，雷凯课题组在《EMBO J》上发表题为“Fibrillarin homologs regulate translation in divergent cell lineages during planarian homeostasis and regeneration”的研究成果。

研究发现，在涡虫Schmidtea mediterranea中的核仁纤维蛋白fibrillarin（fbl）出现基因重复现象。通过RNAi实验，发现两个fbl同源基因的缺少均导致涡虫无法正常再生。结合fbl的生物学功能，研究证明了两个fbl同源基因均能够调控rRNA的2'-O-甲基化修饰和pre-rRNA的加工。

最后，研究通过转录组与翻译组的联合分析，揭示了fbl调控涡虫干细胞和表皮细胞中特定mRNA的翻译效率，从而影响干细胞增殖和表皮细胞发育。该研究不仅阐明了fbl基因重复与涡虫再生的关系，还突显了细胞特异性rRNA修饰和核糖体翻译调控对组织稳态和再生的重要性。

文章链接：

https://doi.org/10.1038/s44318-024-00315-x

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翻译调控对多细胞生物发育过程中所需的错综复杂的基因表达调控起着重要作用。它为控制蛋白质的空间分布提供了可能性，而这是仅靠转录控制无法实现的。大量研究表明，在干细胞和细胞命运决定过程中，核糖体生物发生和蛋白质合成的增强在不同物种中发挥着不可或缺的作用[1-4]。然而，在成体组织稳态和再生过程中，通过rRNA修饰进行翻译调控对干细胞增殖和分化的影响有待进一步阐明。

Fibrillarin（FBL）是rRNA的2'-O-甲基转移酶，其主要功能是对rRNA进行修饰和加工。fbl基因是胚胎干细胞（ESC）的一个重要调节因子，通过p53信号通路维持多能性并影响细胞活力和分化。fbl基因的抑制或突变会阻止小鼠早期胚胎发育、细胞周期和破坏斑马鱼的神经分化。然而，在成体组织稳态和再生过程中，fbl基因的功能仍不清楚。

图1 涡虫细胞发育与翻译调控

涡虫Schmidtea mediterranea具有强大的再生能力。无论是在组织稳态，还是损伤再生过程中，涡虫干细胞均具有自我更新和分化成多种不同类型细胞的能力^[5]。然而，翻译调控在涡虫再生过程中的作用尚不清楚。研究以涡虫作为模式生物，利用RNA干扰技术抑制fbl基因表达，探究rRNA修饰和加工、核糖体生物发生，以及蛋白质合成在涡虫再生过程中对干细胞和表皮细胞发育的作用，揭示涡虫再生与翻译调控的重要联系（图1）。

图2 fbl-1和fbl-2的敲降导致涡虫再生异常

研究首先分析了包括哺乳动物，斑马鱼，涡虫，水螅等14个物种的FBL蛋白N端GAR（Glycine-Arginine-Rich）结构域和C端甲基化酶（methyltransferase）功能域。与哺乳动物FBL蛋白的进化分支不同，涡虫具有两个fbl同源基因，研究人员将其命名为fbl-1和fbl-2。为了探究fbl-1和fbl-2是否参与涡虫再生的调控，研究人员利用RNA干扰技术，发现与对照组相比，分别敲降两个fbl基因均导致涡虫无法正常再生（图2）。

图3 两个fbl同源基因在涡虫中的干细胞和表皮细胞特异定位

为阐明fbl-1和fbl-2在涡虫中的功能，研究通过原位杂交染色等实验，揭示了两个fbl同源基因不同且互补的细胞表达谱：fbl-1基因表达在干细胞（piwi-1+）和前体细胞（prog-1⁺，ston2⁺，hnf4⁺等），而fbl-2基因主要表达在egr-5⁺表皮细胞，提示了两个fbl基因可能调控不同的细胞发育过程（图3）。进而，研究人员发现，fbl-1基因参与干细胞增殖和前体细胞的分化，而fbl-2基因则参与了表皮细胞的分化成熟过程。

图4 fbl调控rRNA修饰和pre-rRNA加工保真度

核仁是一种多层液态凝结物，由不同的亚区共存组成，由内而外包括纤维中心、致密纤维成分和颗粒成分，从而促进了核糖体生物发生的初始步骤^[6]。FBL蛋白结构域决定其核仁定位和甲基化酶催化功能。在哺乳动物细胞中，致密纤维组分的FBL参与pre-rRNA加工与修饰。在Hela细胞和非洲爪蟾研究中，fbl基因的缺少会导致rRNA的2'-O-甲基化修饰水平下降^{[7, 8]}。

为了探究fbl基因在涡虫再生中的生物学功能，研究利用RiboMeth-seq甲基化测序，鉴定了涡虫中10个rRNA的2'-O-甲基化修饰位点，并验证了fbl-1和fbl-2基因对rRNA的2'-O-甲基化修饰位点的调控，发现抑制fbl-1和fbl-2基因分别减少了18S rRNA的Um1228和Am28位点的甲基化水平。另外，Northern印迹杂交结果表明，fbl基因对pre-rRNA加工的保真度起着重要作用，尤其是在28S rRNA成熟过程中，抑制fbl-2基因的表达，导致异常剪切，并出现未知的rRNA加工产物（图4）。

那么，fbl基因对rRNA的修饰和加工是否影响涡虫核糖体的翻译功能呢？

图5 Riboseq分析验证fbl对涡虫细胞特异的mRNA进行翻译调控

接下来，研究人员利用Ribo-seq翻译组测序（图5），验证了fbl-1基因调控干细胞中与DNA复制（cdk1，surf2等）及剪接过程相关基因（snrpG，sf3b5等）的翻译效率。利用可变剪接分析，进一步验证了调控细胞周期的相关基因（rfwd3，fzr1，dna2，aspm）出现外显子跳跃异常，为干细胞和前体细胞剪接调控的重要性提供证据^[9]。不同的是，分析表明敲降fbl-2基因导致表皮细胞中与神经递质调控相关基因（syt2，chrna6）的翻译效率下调，结合之前研究发现，与神经肌肉细胞相似，AGAT-1⁺表皮细胞能够分泌神经递质肌酸^[10]，进一步提示了涡虫表皮细胞的发育与周围细胞通讯的相关性。以上结果揭示了涡虫再生过程中翻译调控的复杂性和必要性。

综上所述，研究证明了两个fbl同源基因能够参与rRNA的2'-O-甲基化修饰和pre-rRNA的加工，并调控涡虫干细胞和表皮细胞的特定mRNA的翻译效率，影响干细胞增殖和表皮发育过程，为后续研究涡虫再生机制提供了新的视角。

雷凯为本文通讯作者，西湖大学博士研究生陈佳佳为本文第一作者。西湖大学博士研究生李玉聪、潘雪、赵芸、徐昊，浙江大学良渚实验室研究员钱鹏旭、王辉、姜蓬垒，中山大学眼科中心研究员谢志、王宏伟、杨家祺、王岩为本项工作提供了重要帮助。西湖大学俞晓春、裴唯珂、历鹏，浙江大学徐鹏飞、何峰提供了技术支持与帮助。

雷凯，曾获吴瑞奖学金、强生亚洲生命科学优秀论文奖、教育部学术新人奖等荣誉。曾担任吴瑞纪念基金会常务理事，现担任Cell Regeneration和Zoological Research编委、中国医药生物技术协会疾病模型专业委员会委员。在Developmental Cell、Nature Communications、EMBO J、Neuron、PNAS、Current Biology、eLife、Cell Reports、Cell Regeneration等期刊发表多篇研究论文。

雷凯课题组致力于再生与干细胞生物学的研究，通过涡虫、类器官及小鼠模型，探索涡虫再生、神经退行性疾病等生物学问题。课题组长期活跃招聘，欢迎优秀学者投递简历。

招聘岗位：助理研究员等，招聘人数不限。

薪酬待遇：根据相关规定以及申请人工作能力，将提供具有竞争力的薪酬待遇，享受五险一金相关福利，具体待遇面议。课题组将提供稳定的工作环境与先进的研究平台，并根据兴趣与需求支持个人职业发展。

任职要求：申请者应具备细胞生物学、分子生物学、发育生物学、生物信息学以及化学生物学等任何一个方向具有扎实的专业背景和研究经历。热爱科研，工作负责，学术态度端正，能积极独立地开展科研工作；具有良好的沟通能力及团队合作精神。

详情请见课题组网页：

（https://lei.lab.westlake.edu.cn/）

参考文献

1. Zhang, Q., N.A. Shalaby, and M. Buszczak, Changes in rRNA transcription influence proliferation and cell fate within a stem cell lineage. Science, 2014. 343(6168): p. 298-301.

2. Sanchez, C.G., et al., Regulation of Ribosome Biogenesis and Protein Synthesis Controls Germline Stem Cell Differentiation. Cell Stem Cell, 2016. 18(2): p. 276-90.

3. Lv, K., et al., HectD1 controls hematopoietic stem cell regeneration by coordinating ribosome assembly and protein synthesis. Cell Stem Cell, 2021. 28(7): p. 1275-1290 e9.

4. Gay, D.M., A.H. Lund, and M.D. Jansson, Translational control through ribosome heterogeneity and functional specialization. Trends Biochem Sci, 2022. 47(1): p. 66-81.

5. Scimone, M.L., et al., Neoblast specialization in regeneration of the planarian Schmidtea mediterranea. Stem Cell Reports, 2014. 3(2): p. 339-52.

6. Yang, L., et al., Phase separation-competent FBL promotes early pre-rRNA processing and translation in acute myeloid leukaemia. Nature Cell Biology, 2024. 26(6): p. 946-961.

7. Erales, J., et al., Evidence for rRNA 2'-O-methylation plasticity: Control of intrinsic translational capabilities of human ribosomes. Proc Natl Acad Sci U S A, 2017. 114(49): p. 12934-12939.

8. Delhermite, J., et al., Systematic mapping of rRNA 2'-O methylation during frog development and involvement of the methyltransferase Fibrillarin in eye and craniofacial development in Xenopus laevis. PLoS Genet, 2022. 18(1): p. e1010012.

9. Solana, J., et al., Conserved functional antagonism of CELF and MBNL proteins controls stem cell-specific alternative splicing in planarians. Elife, 2016. 5.

10. Eisenhoffer, G.T., H. Kang, and S.A. A, Molecular analysis of stem cells and their descendants during cell turnover and regeneration in the planarian Schmidtea mediterranea. Cell Stem Cell, 2008. 3(3): p. 327-39.