撰文丨章臺(tái)柳

轉(zhuǎn)錄因子（TF）通過與輔因子直接互作、結(jié)合轉(zhuǎn)錄機(jī)器、調(diào)控轉(zhuǎn)錄起始/延伸過程、染色質(zhì)修飾等分子機(jī)制調(diào)控基因表達(dá)。多項(xiàng)大規(guī)模篩選研究表明，在缺乏其他轉(zhuǎn)錄因子（TF）協(xié)同作用的情況下，僅有少數(shù)哺乳動(dòng)物轉(zhuǎn)錄因子具備強(qiáng)效激活功能，這意味著絕大多數(shù)轉(zhuǎn)錄因子需要通過協(xié)同組合來調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄。在某些生物體系中，轉(zhuǎn)錄因子組合確實(shí)表現(xiàn)出顯著的協(xié)同效應(yīng)；但更常見的情況是，這些組合僅呈現(xiàn)簡(jiǎn)單的疊加效應(yīng)或表現(xiàn)出有限的協(xié)同性。

為深入理解單個(gè)TF在全基因組范圍內(nèi)的調(diào)控作用，必須對(duì)以下方面進(jìn)行探究：它們的功能和重要性在不同基因上的變化，同一調(diào)控元件上與其他TF的組合效應(yīng)、靶啟動(dòng)子類型（組成型或誘導(dǎo)型）和單個(gè)基因的染色體環(huán)境。盡管有明確的例子表明，單個(gè)TF能作為強(qiáng)效激活因子或抑制因子來調(diào)控鄰近基因，但早期在全基因組水平將TF結(jié)合與調(diào)節(jié)靶點(diǎn)相聯(lián)系的研究卻給出了讓人困惑的結(jié)果。例如，綜合分析TF基因的缺失及mRNA的表達(dá)變化，發(fā)現(xiàn)部分TF結(jié)合位點(diǎn)并無調(diào)控功能，或者同一TF在不同的基因上具有正向或負(fù)向調(diào)控作用【1】。然后，這些研究大多依賴于穩(wěn)態(tài)RNA分析，并且是在TF長期缺失條件下進(jìn)行的，因此很難區(qū)分出直接效應(yīng)和間接效應(yīng)。

釀酒酵母是研究TF特異性、協(xié)同性和功能的優(yōu)秀模型系統(tǒng)。盡管酵母缺乏遠(yuǎn)端增強(qiáng)子元件，但其轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制與高等真核生物高度保守。酵母只有大約150個(gè)總TFs，不到人類的十分之一，使其適合進(jìn)行全基因組規(guī)模的TF結(jié)合和功能比較。現(xiàn)有研究已積累大量關(guān)于酵母中TF-TF互作、TF調(diào)控靶點(diǎn)及共調(diào)控基因集的遺傳與生化數(shù)據(jù)。酵母蛋白編碼基因可根據(jù)對(duì)不同輔因子（如TFIID、SAGA、Bdf1/2和MED Tail等）的依賴性而分類。大多數(shù)的酵母基因的轉(zhuǎn)錄是依賴于TFIID和Bdf1/2（即TFIID依賴性基因），這些基因是組成性表達(dá)，而被調(diào)控基因中的一部分其轉(zhuǎn)錄依賴于TFIID或SAGA，被稱為輔因子冗余型基因（CR），多為受調(diào)控的可誘導(dǎo)型基因。轉(zhuǎn)錄因子如何決定輔因子特異性以及特定轉(zhuǎn)錄因子是否專一調(diào)控某類基因，是目前亟待解決的重要科學(xué)問題。例如，研究表明約60%的酵母轉(zhuǎn)錄因子含有酸性激活結(jié)構(gòu)域，可結(jié)合MED tail，但僅約6%的基因表達(dá)會(huì)因MED Tail快速缺失而受影響。

近日，來自福瑞德·哈金森癌癥研究中心的Steven Hahn團(tuán)隊(duì)在Nature雜志上發(fā)表文章Low overlap of transcription factor DNA binding and regulatory targets，通過繪制釀酒酵母近乎全套轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點(diǎn)及靶基因調(diào)控圖譜，發(fā)現(xiàn)與預(yù)期相反，僅有極少數(shù)轉(zhuǎn)錄因子專一地承擔(dān)基因激活或抑制功能，而絕大多數(shù)轉(zhuǎn)錄因子具有雙重功能。雖然幾乎所有蛋白質(zhì)編碼基因都受到一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控，但全基因組分析發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄因子的DNA結(jié)合位點(diǎn)與基因調(diào)控僅存在有限的重疊。通過快速降解轉(zhuǎn)錄因子發(fā)現(xiàn)，大量調(diào)控靶基因?qū)嶋H上遠(yuǎn)離任何可檢測(cè)到的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)，暗示存在遠(yuǎn)程調(diào)控等非經(jīng)典調(diào)控機(jī)制。這項(xiàng)研究不僅首次繪制了近乎完整的酵母轉(zhuǎn)錄因子功能圖譜，并深入了解單個(gè)細(xì)胞類型中表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子之間的相互作用，以及它們?nèi)绾斡绊憦?fù)雜的基因調(diào)控程序。

研究人員通過將釀酒酵母中幾乎所有的TFs（包括激活因子、抑制因子和推定的調(diào)控因子）與微球菌核酸酶（MNase）相融合，利用ChEC-seq技術(shù)來檢測(cè)TFs在基因組DNA上的位置。同時(shí)也定位了一些染色質(zhì)重塑因子、轉(zhuǎn)錄輔因子和轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物相關(guān)蛋白來作為對(duì)比。已知酵母缺乏遠(yuǎn)程調(diào)控的增強(qiáng)子，分析主要集中在轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)附近。在轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)的-400到+200bp區(qū)間中檢測(cè)到77%的TF結(jié)合位點(diǎn)。在研究的5,891個(gè)啟動(dòng)子中，有5,467個(gè)（占比92.8%）可檢測(cè)到與至少一個(gè)TF存在相互作用。分析顯示，啟動(dòng)子與TFs的結(jié)合數(shù)量呈現(xiàn)顯著差異：其中位值為15個(gè)TFs，但具體分布范圍從1個(gè)到137個(gè)TFs不等。同樣，單個(gè)TFs平均可結(jié)合624個(gè)啟動(dòng)子，但具體分布范圍從1到3355不等。分析TFs結(jié)合位點(diǎn)的序列特性發(fā)現(xiàn)，47個(gè)轉(zhuǎn)錄因子（如Abf1和Reb1）在其50%以上的結(jié)合位點(diǎn)中存在特征性基序（motif）；而大多數(shù)轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點(diǎn)中，僅部分（中位數(shù)34%，范圍7%-49%）含有相應(yīng)基序。令人驚訝的是，在120個(gè)已知DNA結(jié)合基序（motif）的TFs中，有87個(gè)（占比72.5%）的ChEC信號(hào)（與TF結(jié)合豐度有關(guān)）在含基序與不含基序的啟動(dòng)子之間無顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，這意味著是否出現(xiàn)motif序列并不能預(yù)測(cè)TF-啟動(dòng)子的結(jié)合。根據(jù)motif的情況將基因分成3類，第一類包含所分析基因的53%，其啟動(dòng)子由相對(duì)較少的TFs結(jié)合（每個(gè)啟動(dòng)子的結(jié)合TFs的中位數(shù)為7）；第二類約占總基因的26%，與適量的TFs結(jié)合（中位數(shù)為24）；第三類約占總基因的14%，與許多TFs結(jié)合（中位數(shù)67）。I和II類富含TFIID類基因，而III類富含CR基因，具有最寬的核小體耗竭區(qū)（NDR），包含許多高度表達(dá)的基因，并且高度富集位于染色體相互作用域邊界附近的基因。

為了系統(tǒng)地評(píng)估TFs的全基因組功能，并確定DNA結(jié)合與功能之間關(guān)聯(lián)的程度，研究使用AID系統(tǒng)誘導(dǎo)TFs的快速耗竭，并檢測(cè)新生RNA水平的變化。結(jié)果顯示，4725個(gè)基因的表達(dá)受到至少一個(gè)TF調(diào)節(jié)，每個(gè)基因有1-21個(gè)調(diào)節(jié)性TFs，包括85%的TFIID依賴性和75%的CR基因。TF的快速耗竭會(huì)導(dǎo)致許多基因的上調(diào)和下調(diào)，且這種現(xiàn)象適用于大多數(shù)TFs。即專職的激活性轉(zhuǎn)錄因子（如Msn2和Gcn4）或抑制性轉(zhuǎn)錄因子（如Rox1和Sum1）相對(duì)較少，大多數(shù)酵母TFs（超過66%）具有雙重作用。

將TFs的結(jié)合位點(diǎn)信息和調(diào)控表達(dá)之間進(jìn)行整合分析，發(fā)現(xiàn)只有少數(shù)TF在結(jié)合位點(diǎn)-調(diào)控功能上（例如Ifh1、Cyc8、Rap1、Abf1和Reb1）有中度重疊（>40%），大多數(shù)TF的重疊要小得多，但明顯的無功能結(jié)合比例很高。即對(duì)于大多數(shù)TF來說，結(jié)合通常不能很好地預(yù)測(cè)該基因的表達(dá)是否會(huì)對(duì)結(jié)合TF的缺失做出反應(yīng)。另一個(gè)值得注意的觀察結(jié)果是，對(duì)于許多TF，大多數(shù)表達(dá)靶標(biāo)缺乏可檢測(cè)的啟動(dòng)子結(jié)合。例如，Cyc8結(jié)合了777個(gè)啟動(dòng)子，但快速耗竭影響了2765個(gè)基因的表達(dá)（其中422個(gè)基因與Cyc8相結(jié)合）。那么在沒有檢測(cè)到TF結(jié)合的情況下，TF如何調(diào)控基因的啟動(dòng)子？研究人員構(gòu)建了GFP報(bào)告系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)盡管沒有觀察到TF的可檢測(cè)結(jié)合，但TF的調(diào)控功能是通過-400到+200bp窗口介導(dǎo)的。即在天然基因的背景下，這些無TF結(jié)合的啟動(dòng)子依賴于更遠(yuǎn)端的調(diào)控元件，需要進(jìn)一步的研究來確定這些基因的調(diào)控機(jī)制及其在更復(fù)雜的真核生物中的功能關(guān)系。

總的來說，研究繪制了近乎完整的釀酒酵母的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合和調(diào)控表達(dá)靶點(diǎn)圖譜，并揭示出新的轉(zhuǎn)錄因子作用及其調(diào)控全基因組轉(zhuǎn)錄的機(jī)制，為深入理解轉(zhuǎn)錄因子的工作機(jī)制提供了重要參考。

https://www.nature.com/articles/s41586-025-08916-0

制版人： 十一

參考文獻(xiàn)

1. Kang, Y. et al. Dual threshold optimization and network inference reveal convergent evidence from TF binding locations and TF perturbation responses.Genome Res.30, 459–471 (2020).

學(xué)術(shù)合作組織

（*排名不分先后）

戰(zhàn)略合作伙伴

（*排名不分先后）

（*排名不分先后）

轉(zhuǎn)載須知

【原創(chuàng)文章】BioArt原創(chuàng)文章，歡迎個(gè)人轉(zhuǎn)發(fā)分享，未經(jīng)允許禁止轉(zhuǎn)載，所刊登的所有作品的著作權(quán)均為BioArt所擁有。BioArt保留所有法定權(quán)利，違者必究。

BioArt

Med

Plants

人才招聘

會(huì)議資訊

近期直播推薦