Ageing-associated changes in transcriptional elongation influence longevity

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1년 ago

노화와 관련된 transcriptional elongation의 변화는 수명에 영향을 준다

Abstract

생물학적 항상성(homeostasis)은 transcription 및 RNA splicing을 포함한 세포 내 과정 중에서 발생한 손상의 결과로 노화 동안 손상됩니다. 그러나 전사 충실도의 손실을 초래하는 분자 메커니즘은 그것을 예방하는 방법과 마찬가지로 명확하지 않습니다.

이 논문에서는 선충, 초파리, 쥐, 인간 등 다양한 유기체에 걸친 transcription 과정의 genome 전체의 노화 관련 변화를 프로파일링하고 분석했습니다. 연구 대상 5종 모두에서 평균 전사 신장 속도(RNA 중합효소 II 속도)는 연령에 따라 증가했습니다. 이러한 신장 속도의 변화와 함께, 우리는 splicing되지 않은 trascriptome의 감소와 더 많은 circular RNA의 형성을 포함한 splicing의 변화를 관찰했습니다. 수명 연장과 긴밀한 관계가 있는 식사 제한, insulin–IGF signalling 감소는 위에서 서술한 노화와 관련된 변화의 대부분을 뒤집었습니다. 지렁이과 파리에서 반응을 줄인 RNA polymerase II의 유전자 변이체는 수명이 늘어났습니다. 이와 유사한 원리로, nucleosome 위치의 나이와 관련된 변화에 대응하기 위해 histone 성분을 과발현함으로써 RNA polymerase II의 속도를 감소시키는 것은 파리의 수명과 인간 세포의 분열 잠재력을 연장시키는 효과를 보였습니다.

이들의 연구 결과는 동물 노화와 수명 연장 개입의 근본적인 분자 메커니즘을 밝혀내고, 가능한 예방 조치를 제시합니다.

Figure

[Figure 1] Pol II elongation 속도는 나이가 들수록 증가하며 여러 종에서 insulin 신호 전달 및 식사 제한 감소로 인해 느려진다
a. 전체 RNA-seq 내 intron을 따른 read coverage의 모식도입니다. Intronic read는 특정 시점에서의 transcriptional production을 뜻합니다.
b. 10일차 및 50일차에 D. melanogaster에 대한 100만 RPM(Reads Per Million) 단위의 read coverage을 포함하는 frazzled 의 intron 1의 read distribution 예시입니다.
c. 여러 개체(지렁이(whole body), 초파리(뇌), mouse(신장, 간, 시상하부 및 혈액), rat(간), 인간의 혈액, HUVECs, IMR90 cells)의 평균 Pol II elongation 속도의 log2 fold change를 나타냅니다.
d. IMR90 세포에서 4sUDRB-seq의 transcription elongation 속도 추정 대 두 가지 검사를 모두 사용하여 신장 속도를 추정할 수 있는 217개 유전자의 intronic slopes입니다.
e. 4sUDRB-seq에 기반한 IMR90 cell의 elongation 속도의 분포입니다.

[Figure 2] C.elegans 및 D.melanogaster에서 Pol II elongation 속도의 감소에 의한 분자 단계 및 수명 연장의 효과
a. Pol II 돌연변이 및 wild type(WT) worm(왼쪽; 509 introns)과 파리(오른쪽; 1,354 introns) 간의 평균 Pol II 신장 속도 차이입니다
b. ama-1(m322) 변이를 보유한 지렁이(왼쪽;replicate 1) 및 Rpll215C4 변이를 보유한 파리(오른쪽;평균 생존 곡선)입니다.

[Figure 3] 노화(노인 대 청년) 및 수명 연장 개입 후 전사 구조의 변화
a. 분할된 transcripts 부분의 평균적인 변화입니다. 유전자의 수(n)는 120에서 15,328 사이입니다.
b. Rare splice events(전체 gene expression 중 0.7% 이하)의 변화 비율입니다. 유전자의 수(n)은 376에서 8,486 사이입니다.
c. 지렁이, 초파리 머리, mouse & rat 간, human cell line의 CircRNA index(back-spliced reads / sum of linear and back-spliced reads)입니다.
d. 평균적인 유전자 mismatch 정도입니다.

[Figure 4] Human cell model에서의 nucleosome positioning에 대한 프로파일링 결과
a. exon(n = 37,625) 및 intron(n = 193,912) 간의 nucleosome density 평균 차이입니다. 증식 단계 및 쇠퇴 단계의 세포 또한 고려했습니다.
b. 개인 샘플 및 pooled data에서의 intron을 대상으로 한 principal component analysis 결과입니다. (nucleosome sharpness)
c. 개인 샘플 및 pooled data에서의 intron을 대상으로 한 principal component analysis 결과입니다. (nucleosome summits 간의 거리)
d. 증식 및 쇠퇴 단계 세포간의 nucleosome sharpness 변화입니다. Exon 및 intron이 고려되었습니다.
d. 증식 및 쇠퇴 단계 세포간의 nucleosome summit 거리 변화입니다. Exon 및 intron이 고려되었습니다.

[Figure 5] Histone 과발현은 세포 쇠퇴기로의 진입을 늦추며, Pol II 속도를 낮춘다
a. 분화 단계 및 쇠퇴 단계의 HUVEC 및 IMR90 cell의 H3 protein 양입니다.
b. 전체적인 실험의 모식도입니다.
c. histone overexpression mutants 및 wild-type IMR90 cell간의 Pol II elongation 속도의 차이입니다. (intron 1,212개)
d. H3-GFP, H4-GFP, 대조군 IMR90 cell의 β-galactosidase 염색 결과입니다. Doxycycline(Dox) 존재 여부에 따른 결과를 보입니다.
e. (왼) H3-GFP, H4-GFP, 대조군 IMR90 cell의 immunofluorescence image에서, histone 과발현 상태의 조건 하에 p21이 감소함을 보입니다. (오) 이러한 변화를 violin plot을 통해 정량화하여 보입니다.
f. H3-GFP, H4-GFP, 대조군 간의 MTT proliferation assay 결과입니다.
g. 나이든 파리(60일) 및 대조군 파리의 머리에서 얻은 mononucleosome footprints의 정량화 결과입니다. Glial cell에서의 Histone 3 과발현을 확인할 수 잇습니다.
h. Repo-Gal4/UAS-Histone 3 파리 및 대조군 파리(Repo-Gal4/+ and UAS-Histone 3/+)의 수명 분석입니다.

Disscussion

연구진들은 4 가지 동물 모델, 2 개의 인간 세포주 및 인간 혈액에 걸쳐 나이에 따라 평균 Intronic Pol II elongation 속도가 지속적으로 증가하는 것을 발견했으며, 수명 연장 치료를 사용하여 이러한 추세를 되돌릴 수 있었습니다. 이들은 또한 나이와 관련된 표현 유형에 영향을 줄 수 있는 유전자 서열과의 mismatch 증가 및 circular RNA의 증가와 같은 splicing 및 transcript quality의 노화 관련 변화를 논문으로 작성하였습니다. 나아가, 이들은 종에 걸친 나이에 따라 (Figure 3a) splicing된 transcript와 splicing 되지 않은 transcript의 비율이 지속적으로 증가하는 것을 관찰했으며, 이는 elongation 속도 증가의 결과로 보고되었습니다. 그러나, 이들은 이와 같은 증가가 RNA 반감기의 변화에 기인했을 가능성을 배제할 수 없습니다. 평균적인 속도 변화는 대부분 상당했지만 절대적인 측면에서는 여전히 작았습니다. RNA 생합성의 게놈 전체의 급격한 변화는 세포 기능에 빠르게 해를 끼치고 아마도 조기 사망으로 이어질 것으로 예상됩니다. 대신에, 여기서 관찰한 것은 정상적인 노화에 대한 세포 적합성 특성의 점진적인 감소입니다. 결정적으로, 연구진들은 Pol II를 감속시킴으로써 두 종의 수명을 늘릴 수 있었습니다. 따라서, 크기가 작고 조직이나 세포 집단에서 확률적으로 출현했음에도 불구하고, 이러한 효과는 분명히 유기체 수명과 관련이 있다고 말할 수 있습니다.

가속된 Pol II 신장을 나타내는 유전자는 특정 세포 과정에 대해 풍부하지 않았으며, 이는 속도 증가가 아마도 결정론적으로 세포 조절 반응이 아니라 자발적인 연령 관련 결함임을 나타냅니다. 그러나 영향을 받은 유전자는 완전히 무작위적이지는 않았습니다. Intron의 하위 집합에 대한 반복실험에서 일관된 변화를 관찰했기 때문입니다. 따라서 Pol II 속도가 증가하기 쉬운 게놈 영역과 그렇지 않은 게놈 영역에 영향을 미치는 위치 별 요인이 있어야 합니다. 이 관찰은 chromatin 구조가 나이와 관련된 Pol II 속도 증가에 원인이 될 수 있음을 나타내는 이전 연구 결과와 우리의 데이터와 일치합니다. Pol II 속도 증가를 이끄는 분자 사건에 대한 완전한 이해가 아직 부족하지만, 이들의 연구 결과는 노화와 관련된 염색질 구조의 변화가 중요한 역할을 한다는 것을 나타냅니다.

이들의 연구는 Pol II 신장 속도를 노화 이상의 영향을 미치는 분자 및 생리학적 특성에 중요한 기여자로 설정합니다. 전사 신장의 잘못된 조절은 세포와 유기체의 적합성을 감소시키고 따라서 질병 표현형에 기여할 수 있습니다. 종합적으로, 이 논문의 데이터는 노화에 기여하는 분자 메커니즘을 나타내며 노화와 질병 동안 세포 동작의 fidelity를 평가하는 수단으로서 역할을 합니다.

REF

Debès, C., Papadakis, A., Grönke, S. et al. Ageing-associated changes in transcriptional elongation influence longevity. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05922-y