撰文 | 染色體
基因表達調控對於生物體的發育與功能維持至關重要【1】。在真核基因組中，增強子（Enhancer）作為重要的順式調控元件，能夠在遠離靶基因的位點啟用基因表達【2】。然而，隨著增強子與其靶基因之間距離的增加，其調控效率會顯著降低，這種現象給我們解析長距離基因調控的機制帶來了挑戰【3-4】。儘管多數基因受多個增強子的協同調控，但增強子之間如何在基因組上相互作用，以及它們是否能夠彌補距離增加帶來的活性喪失，仍是未解之謎。
2024年12月2日，來自奧地利Max Perutz實驗室的Christa Buecke與Henry F. Thomas共同在Molecular Cell期刊發表題為Enhancer cooperativity can compensate for loss of activity over large genomic distances（增強子協同作用可補償基因組距離引起的活性喪失）的文章。研究人員開發了一種基於小鼠胚胎幹細胞的合成生物學平臺，利用熒光報告基因體系定量評估增強子活性。透過在不同的基因組距離（1.5 kb、25 kb和75 kb）插入單一或多個增強子，系統研究增強子在基因表達調控中的活動和相互作用。
為了探究不同增強子在距離增加時的調控特性，研究人員設計了一個系統化的多功能平臺來測試增強子活性及其距離依賴性，旨在解析增強子在長距離調控中的作用機制，重點探討增強子協同作用是否能在長基因組距離內補償其單獨活性的下降。
研究系統的設計
為了研究增強子與啟動子之間的距離依賴性啟用，研究人員開發了一種小鼠胚胎幹細胞（mESC）模型，並利用該模型構建了一個合成平臺。這一平臺能夠將不同的增強子序列插入到基因組的特定位置，並透過報告基因來檢測不同增強子對啟動子的啟用效果。報告基因系統的使用使得研究人員能夠定量地分析增強子的活性，並系統地評估不同距離對增強子功能的影響。實驗設計中，研究人員選取了多種已知的強增強子和弱增強子，構建了不同的基因組佈局，其中包含了多個增強子與啟動子之間的不同距離。透過這些不同的組合，研究人員能夠在不同的基因組距離上測試增強子的活性，從而全面評估距離對增強子調控能力的影響。此外，研究人員還將CTCF（CCCTC-binding factor）位點作為一個調控因素進行考察，因為CTCF被認為在基因組和增強子-啟動子相互作用中發揮重要作用。透過加入CTCF位點，研究人員探討了其是否能夠影響增強子與啟動子之間的距離依賴性啟用。
研究結果
研究結果表明，增強子的距離依賴性啟用是一個複雜的現象，不同型別的增強子在距離上的表現差異較大。研究人員發現，隨著增強子和啟動子之間的距離增加，增強子的啟用能力通常會呈現出下降的趨勢。對於一些強增強子而言，即使與啟動子的距離相對較遠，它們仍然能夠有效啟用目標基因的表達。這一現象表明，某些增強子具備較強的跨越基因組遠距離的能力，可以在相對較遠的距離上與啟動子相互作用，推動基因的高效表達。然而，對於弱增強子來說，當增強子和啟動子之間的距離較大時，其啟用能力顯著下降。即使是在基因組相對較短的距離範圍內，弱增強子也往往無法實現有效的基因啟用，這進一步驗證了增強子本身的強度在調控活性中的關鍵作用。更為重要的是，研究人員還發現增強子之間的協同作用對於跨越距離的啟用能力起到了重要作用。當兩個不同強度的增強子協同工作時，即使它們與目標啟動子的距離較遠，依然能夠透過相互作用來促進基因的表達。具體來說，強增強子能夠彌補弱增強子由於距離過遠而導致的啟用能力下降，從而顯著增強基因表達的水平。這一發現表明，增強子之間的協同作用不僅能夠彌補單個增強子在遠距離上的不足，還能透過整合不同增強子的活性，最佳化基因表達調控的效果。此外，研究人員還探討了CTCF位點在增強子調控中的作用。研究表明，加入CTCF位點並沒有顯著干擾增強子之間的協同作用，但卻能夠在某些情況下減弱增強子對啟動子的啟用能力。這一現象表明，CTCF可能在增強子-啟動子相互作用中起到一定的制約作用，透過限制增強子與啟動子之間的相互作用，從而調控基因的表達水平。儘管CTCF位點的作用存在一定的複雜性，但研究結果仍然為我們理解CTCF在基因調控中的功能提供了新的線索。
綜上所述，該研究開發了一個靈活的測試平臺，在天然染色質背景下測試不同增強子序列和位置，揭示了哺乳動物基因組中距離依賴的增強子協同作用的關鍵機制，以及基因組距離對其活性的影響。該研究為我們理解基因表達調控提供了新的視角。
https://doi.org/10.1016/j.molcel.2024.11.008
製版人：十一
參考文獻
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