细胞基因组结构的稳定性是细胞发挥正常生理功能所必需的，因此伴随细胞衰老进程而发生的普遍现象便是基因组结构和功能的失调。相较于常染色质，异染色质对于维持基因组结构的稳定性发挥了更为重要的作用，而异染色质结构的维持则依赖于特定的异染色质结合蛋白、组蛋白修饰以及DNA甲基化修饰等，此外，越来越多的研究表明非编码RNA也是参与维持异染色质结构的重要因素。例如，TERRA通过介导异染色质的形成而确保端粒的稳定性，Xist促使X染色体的失活等【1,2】。然而，对于参与细胞衰老过程中异染色质结构改变的非编码RNA及其作用机制的研究仍然有限。

在这项最新研究中，作者首先通过HP1 eCLIP-seq鉴定出了与异染色质有相互作用的lncRNA KCNQ1OT1，发现抑制该lncRNA的表达会引起细胞核内异染色质团块的增多增大，类似于在衰老细胞中观察到的异染色质状态，该结果表明KCNQ1OT1对于维持异染色质结构的稳定性发挥了重要作用，并因此可能参与了细胞衰老过程。为了进一步探究KCNQ1OT1与异染色质的相互作用机制，作者通过ChIRP-seq检测了KCNQ1OT1结合的DNA序列，结果发现KCNQ1OT1结合的DNA序列中重复序列占77%，其中又以Alu（36%）和L1（18%）居多，并且随着Alu和L1进化年龄的降低，KCNQ1OT1与其结合的可能性越大。此外，作者发现，抑制KCNQ1OT1的表达会引起与其结合的Alu和L1元件上H3K9me3和DNA甲基化修饰水平的降低。

KCNQ1OT1的全长为91 kb，而其3’端有约55 kb的序列为富含Alu和L1的重复序列，5‘端则只含有少量的重复序列，对3‘端和5’端区域进行大片段敲除后发现，3‘端重复序列对于维持异染色质结构的稳定性，特别是在抑制L1转座元件的活性方面发挥了更加重要的作用。作者发现3‘端重复序列的敲除会引起细胞内ssDNA的增加和L1表达的上调，以及L1元件上DNA甲基化水平的降低。

由于KCNQ1OT1本身富含的重复序列和KCNQ1OT1结合的重复序列主要都为Alu和L1，因此作者推测KCNQ1OT1与DNA的结合是通过形成triplex结构实现的，最终计算分析和triplex pull-down的实验结果表明KCNQ1OT1上的重复序列与DNA上的重复序列主要通过A-dA Hoogsteen碱基配对形成triplex结构，并且随着进化年龄的降低，KCNQ1OT1结合的Alu和L1上含有的可形成triplex的序列数越多。

最后，作者发现抑制KCNQ1OT1基因的表达会引起与细胞衰老相关的表型，包括衰老相关基因表达上调和ß-半乳糖苷酶染色阳性，相反活化KCNQ1OT1启动子可以挽救KCNQ1OT1下调导致的L1甲基化丢失。此外，本研究发现KCNQ1OT1在细胞和组织衰老过程中的表达是动态的，在细胞衰老早期表达下调而在衰老晚期则呈现出表达上调的趋势，可以用于判断细胞衰老进程。

图1 KCNQ1OT1参与细胞衰老过程的分子机制

综上所述，此研究发现KCNQ1OT1通过HP1和triplex结构与DNA发生相互作用，并对维持异染色质结构的稳定性、靶向序列上的表观修饰状态和L1的抑制状态发挥了重要作用，KCNQ1OT1的缺失会导致异染色质结构的紊乱、L1表达上调以及衰老表型的产生，为衰老研究提供了新的靶点。此外，此研究揭示了一直以来悬而未决的大量转座子元件保持序列特异性沉默的分子机制，即通过lncRNA识别靶向DNA上能与之形成triplex结构的序列并促使该序列上DNA甲基化的发生，而这一机制是首次在哺乳动物细胞内发现的类似CRISPR/Cas9系统的由引导序列（guiding sequence）决定的表观修饰编辑系统。

这项工作由韩敬东团队的博雅博士后张晓丽博士及博士生姜泉龙、李吉羊、张世强等共同完成，得到了基金委及科技部重大项目等资助。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41556-022-01008-5

参考文献

1. Bierhoff, H., Postepska-Igielska, A. & Grummt, I. Noisy silence: non-coding RNA and heterochromatin formation at repetitive elements. Epigenetics 9, 53-61 (2014).

2. Johnson, W.L. & Straight, A.F. RNA-mediated regulation of heterochromatin. Curr Opin Cell Biol 46, 102-109 (2017).