文章标题：Telomeric repeat-containing RNA increases in aged human cells

发表期刊：Nucleic Acids Research

发表时间：2025.7

影响因子：13.1 

研究介绍

端粒重复序列 RNA（TERRA）是一类从亚端粒区域向端粒末端转录的长链非编码 RNA，由端粒重复序列（UUAGGG）和染色体特异的亚端粒序列组成。TERRA 在维持端粒稳定性、调控基因表达及细胞衰老中发挥关键作用，但其在人衰老过程中的动态变化及其具体作用机制尚不明确。

本研究结合Nanopore 直接RNA 测序和 TERRA 特异性生物素探针捕获技术，基于T2T-CHM13 完整人类基因组注释结果，首次绘制了人类 TERRA 转录图谱，并开发了生物信息学工具 TERRA-QUANT，用于跨组织RNA-seq的TERRA定量分析。研究发现，TERRA 在血液、大脑和成纤维细胞中随年龄增长显著上调，且与阿尔茨海默病（AD）早期病理密切相关。同时，研究还揭示了 TERRA 启动子的表观遗传调控特征及其在神经元分化中的功能，为衰老和神经退行性疾病研究提供了新视角。

主要研究结果

1. TERRA 转录图谱的系统绘制

研究通过 TERRA 特异性生物素探针捕获结合 Nanopore 直接 RNA 测序，在 T2T-CHM13 基因组中鉴定出 39 个染色体末端含有TERRA 转录区域（图 1B）。根据启动子特征将TERRA 转录区域分为三类：Type I（占比 93.5%），其启动子含 61-29-37 bp 重复序列；Type II（2.4%），缺乏 61-29-37 bp 重复序列；Type III（4.0%），源自染色体内部的端粒样序列（ITS），其启动子含 37 bp 重复序列（图1E）。

图 1. 通过短读长和直接RNA测序鉴定人类细胞中的TERRA转录区域

同时，Nanopore 直接RNA测序揭示了 TERRA 的长度特征，如 U2OS 细胞中 TERRA 平均长度为 721 bp，在 HeLa 细胞中为 982 bp；而端粒重复序列在U2OS细胞中的平均长度为 222 bp（最长可达1080 bp），在HeLa 细胞中平均长度为 284 bp（最长可达 1487 bp）（图2A-B）。此外，不同染色体的TERRA 全长和端粒重复序列的长度存在极大差异（图 2C）。

图 2. U2OS和HeLa细胞中直接RNA测序揭示TERRA长度分布

2. TERRA 启动子的表观遗传调控网络

研究通过整合 ChIP-seq（H3K4me3、RNA Pol II、CTCF）、MeDIP-seq（DNA 甲基化）和 DRIP-seq（R-loop）数据，发现 Type I 启动子中表观标记呈分区富集（图3A-C）：61 bp 重复区富集染色质架构蛋白（CTCF）、RNA Pol II 及 R-loop，推测转录激活与染色质环化相关；29 bp 重复区高 DNA 甲基化，可能沉默冗余转录。同时，TERRA 表达水平与染色体末端的 H3K4me3、R-loop 和 CTCF呈正相关（图 3D），表明表观修饰协同调控 TERRA 转录。

图 3. TERRA启动子上H3K4me3、RNA Pol II、CpG、DNA甲基化和R-loop的富集

3. TERRA-QUANT 工具的建立与验证

为解决 TERRA 定量难题，研究开发 TERRA-QUANT 工具（图4A），该工具通过整合 T2T-CHM13 的 TERRA 注释GTF 文件和 YARN 标准化算法，可量化RNA-seq 数据的 TERRA表达。通过对之前的RNA-seq数据分析，发现TRF2（端粒保护蛋白）缺失后，85% 染色体末端的TERRA 表达显著升高（图4B-C），与早期结果一致。

图 4. 测量TERRA表达的TERRA-QUANT工具

4. TERRA 的多聚腺苷酸化偏好性

研究对poly(A)+ 和 poly(A)− TERRA 转录本进行分析，发现不同染色体末端的多聚腺苷酸化模式具有细胞类型保守性（图 4E-F）。例如 chr1p、chr2q、chr3p 和 chr18q 偏好 poly(A)+ 转录本，而 chr8p、chr11p、chr15q 和 chr21q以 poly(A)−转录本为主。

5. TERRA 在多组织衰老过程中显著上调

基于13种骨肉瘤细胞系的去除rRNA的RNA-seq数据分析（4种ALT阴性，9种ALT阳性），发现ALT阳性细胞的总TERRA水平显著升高，端粒酶逆转录酶（TERT）RNA降低，与既往研究一致（图 5A-B）。分析222例人类血液样本RNA-seq发现，总TERRA水平与年龄呈正相关：老年组（≥60岁）显著高于年轻（<30岁）和中年组（30-59岁）。实验验证显示，老年组端粒长度缩短，而TERRA水平显著上升，二者呈现负相关；且通过使用亚端粒引物进行 RT-qPCR得以证实（图 5C-G）。

图 5. 血液细胞中TERRA表达随年龄增长而增加

对人类多组织的RNA-seq数据分析显示，大脑（非心脏或卵巢）的总TERRA水平与年龄呈正相关，老年组较中年组显著升高（图6A-B）。同时，TERRA互作蛋白ATRX在老年大脑中表达下降，与TERRA水平呈负相关。分析健康和HGPS患者成纤维细胞的RNA-seq数据，发现75岁以上健康老年人成纤维细胞的TERRA水平显著上调。HGPS患者则表现出异常的TERRA表达模式，与同龄健康对照组差异显著（图6C-E）。

图 6. TERRA表达在脑组织和成纤维细胞中随年龄增长而增加

6. 神经元分化与 AD 病理中的 TERRA 异常

对人类胚胎干细胞（hESC）分化而成的神经中胚层祖细胞（NMPs）及腹侧神经元的单细胞RNA-seq分析，发现TERRA水平在神经元分化过程中显著升高，且神经元中的TERRA表达量明显高于神经上皮细胞和间充质细胞，其表达动态与染色质重塑因子ATRX高度一致，揭示TERRA可能参与神经元分化调控（图7C-F）。

图 7. 神经元分化和阿尔茨海默病中单细胞RNA-seq数据中的TERRA表达水平

基于阿尔茨海默病（AD）患者前额叶皮质的单核RNA-seq数据分析发现：AD早期病理阶段（以淀粉样蛋白沉积和轻度认知障碍为特征）的前额叶皮质细胞中，TERRA水平显著上升，在兴奋性神经元中尤为明显（图 7G）。进一步通过AD患者诱导多能干细胞（iPSCs）分化神经元验证：携带早老素-1突变的iPSCs分化神经元较对照组，TERRA表达量显著增高（图 7H），证实AD神经元的TERRA异常上调与疾病相关。

研究总结

本研究通过整合Nanopore直接RNA测序与端粒特异性捕获技术，系统注释了39个染色体末端的TERRA转录区域，揭示其启动子（61-29-37 bp重复模块）受H3K4me3/R-loop等表观标记分区调控机制。通过开发的TERRA-QUANT工具实现了跨组织RNA-seq的TERRA精准定量，发现TERRA在血液、大脑和成纤维细胞中随年龄上调，且与端粒缩短、ATRX表达下降及阿尔茨海默病早期病理密切关联。该研究不仅首次绘制人类TERRA转录图谱，更确立其作为衰老标志物和神经退行性疾病早期诊断靶点的价值，为衰老及相关疾病研究开辟了新视角。

参考文献：

Hsieh YH, Tai CH, Yeh MT, et al. Telomeric repeat-containing RNA increases in aged human cells. Nucleic Acids Res. 2025; 53: gkat597. doi:10.1093/nar/gkat597.