摘要：胚胎干细胞 （ESCs） 具有自我更新和分化的双重特性，其命运的转变依赖于自我更新与分化之间的平衡【1】。为了启动分化过程，干细胞必须退出自我更新状态，这一过程称为多能性退出，是干细胞分化的关键环节【2】。多能性退出是一个高度协调的过程，涉及转录和翻译层面的精

胚胎干细胞 （ESCs） 具有自我更新和分化的双重特性，其命运的转变依赖于自我更新与分化之间的平衡【1】。为了启动分化过程，干细胞必须退出自我更新状态，这一过程称为多能性退出，是干细胞分化的关键环节【2】。多能性退出是一个高度协调的过程，涉及转录和翻译层面的精细调控。ESCs通常具有较低的全局蛋白质合成率和较高的核糖体生物合成 （Ribosome Biogenesis，RiBi） 水平。在多能性退出的过程中，RiBi被短暂下调，以便重新分配资源，用于快速合成对分化至关重要的蛋白质和其他因素【3】。这是一个关键的分子事件，但其调控机制尚未完全阐明。

2024年12月26日，中山大学附属第一医院刘辉教授团队在Developmental Cell上发表了题为Nucleolar protein PEXF controls ribosomal RNA synthesis and pluripotency exit的研究论文。该研究利用拟胚体模型和胚层分化模型，揭示了lncRNA编码的全新核仁蛋白PEXF如何通过液液相分离（Liquid-Liquid Phase Separation，LLPS）的方式与rDNA启动子区域相互作用，促使RNA聚合酶I（RNA Pol I）从rDNA上解离，从而抑制前体核糖体RNA（pre-rRNA）的合成，揭示了人类ESCs多能性退出的一个潜在机制。

该团队首先通过RNA测序和开放阅读框分析，发现了一个由lncRNA LINC00472编码的、之前未被充分研究的全新蛋白。随后，他们通过载体构建、自制抗体、质谱分析等手段验证了该蛋白真实存在，并将其命名为PEXF。PEXF在多能性退出过程中表达上调。免疫荧光、WB实验和测序结果表明，在拟胚体模型和胚层分化的细胞模型中，敲除PEXF会延缓ESCs的多能性退出过程；相反，过表达PEXF则会诱导ESCs退出多能性状态。

进一步研究发现，PEXF定位于核仁，核仁是核糖体生成的重要场所。核糖体生物合成主要包括pre-rRNA的转录、剪切、加工修饰，以及与核糖体蛋白组装成大小亚基等过程【4】。通过polysome profiling实验，研究发现PEXF过表达可减少细胞中40S、60S核糖体亚基的含量。深入研究发现，PEXF主要影响pre-rRNA的转录过程。团队利用CX-5461和BMH-21两种RNA Pol I的抑制剂来诱导pre-rRNA的转录下调，结果发现在多能性退出的细胞模型中，由于PEXF敲除导致滞留表达的多能性指标明显下降，表明PEXF在一定程度上是通过下调pre-rRNA的转录来促进多能性退出过程的。

既往研究表明核仁在形态上分为三层：多个纤维中心 （Fibrillar Center，FC） 和致密纤维组分 （Dense Fibrillar Component，DFC） 形成球状结构镶嵌在颗粒区 （Granular Component，GC） 内【5】。活跃的RNA Pol I转录主要发生在FC和DFC构成的rDNA转录单元中，该单元的完整是转录发生的前提。利用超分辨荧光显微镜，团队发现PEXF过表达会减少该转录单元的数量；连续的时间点观察发现，在PEXF表达下，活化的rDNA转录单元会逐渐解散，并被PEXF取代；PEXF主要定位于FC和DFC的交界区 （rDNA转录位置） ，并与rDNA直接结合；团队检测了RNA Pol I及转录因子UBF在rDNA区域的结合情况，发现PEXF结合rDNA后使得RNA Pol I发生解离，从而使pre-rRNA转录减少。

液液相分离 （LLPS） 是一个均质溶液自发地分离成两个或更多不同相的过程，生物体中许多无膜细胞区室都存在，包括核仁、应激颗粒、P体和Cajal小体等【6】。在分析PEXF的氨基酸序列时，团队发现其含有明显的内在无序区，纯化PEXF蛋白后发现其有自发LLPS的特性；PEXF的氨基酸序列中精氨酸 （Arg） 和脯氨酸 （Pro） 两种氨基酸的占比达到1/3，突变Arg后发现PEXF失去了自聚集的特性，而突变Pro后虽然PEXF仍有自聚集能力，但表现出更偏向固相的特性，提示其LLPS特性与Arg和Pro有关；进一步研究发现PEXF以LLPS的形式与rDNA结合，并且由于Arg带正电，突变Arg的PEXF不与rDNA结合；PEXF第69-101位氨基酸存在异常的Arg分布，使得该区域的电荷分布绝对不均，缺失该Arg-Rich Domain的PEXF变异体同样失去与rDNA结合的能力。

综上所述，该研究鉴定了一个由lncRNA编码的全新核仁蛋白PEXF，调控了ESCs多能性退出的过程。PEXF通过其Arg-Rich Domain以液液相分离的特性与rDNA结合，促使RNA Pol I解离来调控pre-rRNA的合成，进而促进干细胞的多能性退出过程。本研究揭示了干细胞命运决定的复杂调控网络中一个全新的机制。

中山大学附属第一医院刘辉教授为本论文的唯一通讯作者，中山大学附属第一医院博士后李梓濠、博士后陈斯文和已毕业硕士研究生李思放为本论文的共同第一作者。

论文链接：

https://www.cell.com/developmental-cell/abstract/S1534-5807(24)00726-3

制版人：十一

参考文献

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2. Betschinger, J., Nichols, J., Dietmann, S., Corrin, P. D., Paddison, P. J., and Smith, A. (2013). Exit from pluripotency is gated by intracellular redistribution of the bHLH transcription factor Tfe3.Cell.153(2), 335–347. https://doi.org/10.1016/j.cell.2013.03.012

3. Saba, J. A., Liakath-Ali, K., Green, R., and Watt, F. M. (2021). Translational control of stem cell function.Nat Rev Mol Cell Biol.22(10), 671–690. https://doi.org/10.1038/s41580-021-00386-2

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5. Yao, R. W., Xu, G., Wang, Y., Shan, L., Luan, P. F., Wang, Y., Wu, M., Yang, L. Z., Xing, Y. H., Yang, L., et al. (2019). Nascent Pre-rRNA Sorting via Phase Separation Drives the Assembly of Dense Fibrillar Components in the Human Nucleolus.Mol Cell.76(5), 767–783.e11. https://doi.org/10.1016/j.molcel.2019.08.014

6. Banani, S. F., Lee, H. O., Hyman, A. A., and Rosen, M. K. (2017). Biomolecular condensates: organizers of cellular biochemistry.Nat Rev Mol Cell Biol.18(5), 285–298. https://doi.org/10.1038/nrm.2017.7

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来源：科学任我说