非编码 RNA(ncRNA), 如小分子 RNA 和基因间长链非编码 RNA 在调控多能性方面发挥着重要的作用. 然而, 天然反义转录物(NAT)在胚胎干细胞中的作用并不清楚。近期来自南开大学生命科学学院, 天津医学表观遗传学协同创新中心等处的研究人员通过数字基因表达谱发现在小鼠胚胎干细胞中存在广泛的 NAT 表达, 随后证实了Oct4, Nanog和Sox2这3个关键的多能性基因存在NAT的表达. 并且, 过表达Sox2的NAT可以在蛋白水平上降低 Sox2 的表达, 同时在转录水平上对 Sox2 有轻微的上调作用. 这项研究数据表明, NAT和其他的 ncRNA一样, 参与了多能性的维持。

天然反义转录物(natural antisense transcript, NAT)属于 lncRNA 家族, 它们与对应的正义 RNA 分别以 DNA 的不同单链为模板进行转录, 而且和正义转录物有一定的重叠. NAT首先在细菌中发现, 随后在真核生物中也证实了 NAT 的存在.

随着基因组技术的不断发展, 研究表明, NAT 在多个物种的基因组范围内广泛存在, 包括小鼠(Mus musculus)和人类[13~15]. 但是, NAT 的丰度较低, 通常少于其正义转录物的 1/10. NAT 以多种机制发挥着功能, 例如 DNA 复制干扰、染色体重塑、转录调控、RNA掩蔽、双链 RNA 介导的 sirna 干扰以及翻译干扰等方面.

胚胎干细胞(embryonic stem cell, ESC)是将囊胚的内细胞团体外培养而得到的一种细胞. ESC能够不断地进行自我更新, 并且具有分化成为机体所有类型细胞的潜能. 因此, ESC 在发育生物学研究、药物发现以及细胞移植治疗等方面有着巨大的应用价值. 3 个关键转录因子—Nanog, Oct4 和 Sox2, 形成了一个核心的调控环路, 以维持 ESC 的多能性. ncRNA 在多能性维持以及重编程过程中同样发挥着重要的作用.

Dicer 敲除的 ESC 无法产生siRNA 和 miRNA, 从而降低了细胞的增殖和分化能力. 同样, 缺少 DGCR8—miRNA 合成过程中必需的一个 RNA结合蛋白, 导致 ESC在分化过程中不能完全下调多能性基因, 依旧保持 ESC 的克隆状态. 研究表明, 很多基因间长链非编码 RNA(large intergenic non-coding RNA, lincRNA)对于 ESC 特异基因的表达是必需的. 同时, lincRNA和miRNA能够促进重编程过程. 此外, 在没有外源重编程因子的条件下, 只用 miRNA 同样可以将体细胞重编程到多能性的状态.

由此可见ncRNA 在多能性细胞中有着重要的作用. NAT 在人和小鼠的 ESC 也有表达. 但是, 因为实验方法和研究关注点的不同, 尚未对 ESC 的NAT 进行全基因组水平的分析.

为此，在这项研究中，研究人员首先利用数字基因表达谱(digital gene expression tag profiling, DGE)的方法证明了在小鼠 ESC 中, NAT 在基因组范围内广泛表达.

随后, 通过单链特异引物反转录PCR(strand-specific reverse transcription-PCR)的方法, 证实了 3 个多能性关键基因 Nanog, Oct4 和 Sox2 的NAT 表达, 并通过 cDNA 末端快速克隆(rapid amplification of cDNA end, RACE)的方法确定了这些NAT 的末端.

此外，这项研究还发现, Sox2-NAT 能够在转录后水平上抑制Sox2蛋白的表达, 而Oct4-NAT对Oct4的作用并不明显. 总的来说，这一研究结果表明, NAT 在小鼠 ESC 中广泛存在, 并且通过调控多能性基因的表达来参与 ESC 多能性的维持.

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