撰文 | 染色體
相向轉錄（Convergent transcription） ，即正義轉錄與反義轉錄的碰撞，在哺乳動物基因組中廣泛存在，並被認為會降低RNA的表達水平。近年來，研究發現下游的反義轉錄現象異常普遍，但其對受影響啟動子的功能特徵仍缺乏深入研究。
近日，來自德國萊布尼茨老齡化研究所 （FLI） 霍夫曼實驗室的Martin Fischer與Steve Hoffmann共同在Nature Genetics期刊發表題為Gene regulation by convergent promoters（相向啟動子的基因調控） 的文章。研究揭示，轉錄標誌了一類新型共調控啟動子群，約佔所有活躍轉錄起始位點的四分之一，並能啟動5端重疊相向的反義RNA。這一發現挑戰了傳統的轉錄干擾模型，並推動了對啟動子功能概念的更新。
增強子與啟動子之間的轉錄協調在發育和疾病中起著關鍵作用【1】。近年來，研究發現啟動子下游廣泛存在反義轉錄，由並列啟動子驅動的“相向轉錄”結構會生成多種型別的RNA【2】。儘管相向轉錄通常被認為與轉錄干擾有關【3】，但有研究表明反義轉錄物可能在某些情況下促進基因表達【4】。這表明正義與反義轉錄之間的調控關係複雜多樣，遠非簡單的抑制或啟用模式所能解釋。
相向啟動子的轉錄調控
首先， 研究人員探討了相向啟動子的動態特性及其功能。透過使用MDM2抑制劑Nutlin-3a啟用轉錄因子p53，他們在三種細胞系 （MCF-7、U2OS和RPE-1） 中研究了相向啟動子。基於CAGE-seq、RNA-seq和GRO-seq資料，研究發現相向啟動子間的轉錄活動呈顯著正相關，即使在基因表達水平較高時，這種相關性依然存在。這表明相向轉錄並未引發轉錄干擾，反而揭示出相向啟動子可能具有協同調控功能。此外，使用單分子熒光原位雜交 （smFISH） 技術，研究人員發現FAS和ACTA2兩個基因的相向啟動子在同一細胞中可以共轉錄，進一步支援了相向轉錄的共調控模式。此外，研究發現轉錄因子 （如p53、E2F4和RFX7） 可以結合在相向啟動子上，從而調控上下游基因的表達。這表明，相向啟動子構成了一種分子框架，有助於實現基因的協同調控。
相向啟動子的特徵和功能
在染色質結構分析中，相向啟動子區域表現出開放的染色質特徵，並顯示典型的活躍標記 （如H3K4me3、H3K9ac、H3K27ac） ，與增強子區域有所區分。ATAC-seq分析表明，相向啟動子區域記憶體在核小體，並在主基因體區域富集轉錄延伸標記 （如H3K36me3） 。這些發現表明，相向啟動子不僅具有協同調控功能，還透過獨特的染色質結構和轉錄因子相互作用調節基因表達，挑戰了傳統的轉錄干擾模型。研究進一步揭示，大約四分之一的表達基因的啟動子受到相向轉錄的影響。透過分析宿主基因的轉錄起始位點 （TSS） 和對應的反義轉錄起始位點 （daTSS） ，研究人員識別出4,800至6,800對相向啟動子對。這些啟動子的TSS表現出較高的表達相關性，無論宿主基因的整體表達水平或TSS之間的距離如何，這種相關性始終存在。此外，相向啟動子具有典型的染色質結構，其覆蓋區域包括TSS附近的CpG島，並富含H3K4me3和H3K27ac修飾，同時H3K4me1修飾減少。Pol II的佔據表明相向轉錄具有方向性。與常規啟動子相比，相向啟動子的TSS具有顯著更高的表達水平，這與以往認為相向轉錄與低表達基因相關的觀點相矛盾。研究還發現，相向啟動子顯著富集活躍啟動子標記、G4結構，並與R-loop形成相關聯。研究還顯示，大多數由相向啟動子啟動的反義轉錄本 （daRNA） 未被現有基因註釋覆蓋。透過整合CAGE-seq、RNA-seq和QuantSeq資料，研究人員成功註釋了2,158個宿主基因啟動的daRNA，其中大部分未包含在現有基因註釋中。這些daRNA與宿主基因的表達呈正相關，且與轉錄的共調控密切相關。進一步實驗驗證了相向啟動子在不同條件下，尤其是在雌激素處理的MCF-7細胞中表現出顯著的共調控作用。
綜上所述，該研究揭示了相向啟動子在基因表達調控中發揮的重要作用，同時與反義轉錄本及其鄰近基因的表達密切相關。這些發現不僅深化了人們對啟動子結構的理解，也拓展了對基因調控機制的認知，為基因表達調控領域提供了重要的新視角。
https://doi.org/10.1038/s41588-024-02025-w
製版人：十一
參考文獻
[1] Kim, T.-K. & Shiekhattar, R. Architectural and functional commonalities between enhancers and promoters.Cell162, 948-959 (2015).
[2] Mayer, A. et al. Native elongating transcript sequencing reveals human transcriptional activity at nucleotide resolution.Cell161, 541-554 (2015).
[3] Hobson, D. J., Wei, W., Steinmetz, L. M. & Svejstrup, J. Q. RNA polymerase II collision interrupts convergent transcription.Mol. Cell48, 365-374 (2012).
[4] Canzio, D. et al. Antisense lncRNA transcription mediates DNA demethylation to drive stochastic protocadherin α promoter choice. Cell 177, 639-653.e15 (2019).
BioART戰略合作伙伴
（*排名不分先後）
BioART友情合作伙伴
（*排名不分先後）
轉載須知
【原創文章】BioArt原創文章，歡迎個人轉發分享，未經允許禁止轉載，所刊登的所有作品的著作權均為BioArt所擁有。BioArt保留所有法定權利，違者必究。
BioArt
Med
Plants
人才招聘
會議資訊
近期直播推薦
