转化生长因子β（transforming growth factor β, TGF-β）超家族在细胞分化以及早期胚胎发育过程中发挥重要作用。在早期发育过程中，细胞内外均存在着Nodal/Activin/TGF-β以及BMP信号通路的配体，而它们之间的相互调控目前也是很重要的研究方向。心脏是发育过程中最早发育的器官之一，其中TGF-β以及BMP信号通路对于调控心脏的正常发育至关重要，也有很多组织特异性表达的长链非编码RNA（lncRNA）在早期心脏发育过程中发挥重要的作用。随着对TGF-β信号通路的深入研究以及对lncRNA调控方式的进一步探索，人们也揭示了TGF-β信号通路通过一些lncRNA调控对早期胚胎发育的机制。但是TGF-β与BMP信号通路，如何通过lncRNA进行相互调控的机制，目前还鲜有报道。
2022年9月22日，清华大学生命科学学院郗乔然课题组在《核酸研究》（Nucleic Acids Research）杂志在线发表题为“LncRNA-Smad7通过介导Nodal/TGF-β以及BMP信号通路调控全能以及多能干细胞的早期命运决定过程”（LncRNA-Smad7 mediates cross-talk between Nodal/TGF-β and BMP signaling to regulate cell fate determination of pluripotent and multipotent cells）的研究论文。该研究中，他们通过生物信息学分析，在全转录组范围内鉴定到若干个被Nodal/TGF-β调控的长链非编码RNA（lncRNAs），并且对其中的lncRNA-Smad7进行了深入研究。LncRNA-Smad7与Smad7基因，分别从基因组的两条链进行转录，且共用启动子，所以命名为lncRNA-Smad7，但是它可以独立于SMAD7发挥功能。我们的研究发现，lncRNA-Smad7是Nodal-SMAD信号的直接靶基因，它的表达在早期中内胚层发育过程下调。基于分子生物学，生物化学，细胞生物学等研究，他们发现lncRNA-Smad7可以通过（CA）12重复序列结合在Bmp2基因的启动子区，形成R-loop结构，从而抑制Bmp2基因的表达，抑制BMP信号通路，进而调控小鼠胚胎干细胞早期的命运决定过程。LncRNA-Smad7缺失会导致心肌前体细胞增殖能力增强，而心肌细胞成熟过程受损；lncRNA-Smad7缺失也会导致C2C12细胞的成肌分化过程受损，而成骨分化过程增强。他们进一步鉴定到lncRNA-Smad7的相互作用蛋白hnRNPK可以结合在Bmp2基因的启动子区，很可能会促进lncRNA-Smad7在Bmp2启动子区的结合，参与调控该区域H3K27me3信号强度；lncRNA-Smad7缺失也会影响Bmp2启动子区的R-loop结构，说明lncRNA-Smad7很可能通过形成R-loop结构，参与调控Bmp2的表达。
该研究充实了TGF-β信号通路对早期发育过程的调控方式，发现lncRNA-Smad7可以通过结合在Bmp2基因的启动子区，调控早期胚胎发育过程中BMP信号通路，介导Nodal/TGF-β以及BMP信号通路的相互调控，调节信号通路之间的平衡，也揭示了lncRNA新的调控机制。
清华大学生命科学学院郗乔然副教授为本文的通讯作者。清华大学2014级已毕业博士生孔小会为本文第一作者，清华大学生命学院郗乔然实验室2016级已毕业博士生闫坤、2015级已毕业博士生付海鹏、2016级在读博士生孙宏瑶、清华大学生命科学学院刘俊杰实验室博士后邓谱涓、张强锋实验室博士后黄文泽、中科院深圳先进技术研究院副研究员姜双英，对实验的顺利开展做出了重要贡献。本研究同时感谢清华大学流式分选平台、清华大学质谱分析平台、清华大学影像平台的大力支持与帮助。本研究得到国家自然科学基金、清华-北大生命科学联合中心的经费支持。
图：Nodal信号通路转录激活长链非编码RNA lncRNA-Smad7的表达，lncRNA-Smad7结合在Bmp2的启动子区，抑制Bmp2的转录表达，进而调控小鼠胚胎干细胞向心肌细胞的分化过程。
原文链接：https://academic.oup.com/nar/advance-article-abstract/doi/10.1093/nar/gkac780/6711145
