撰文 | 格格

轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)子（enhancer）是一類重要的DNA序列，它們通過結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子來調(diào)控基因的表達(dá)【1-3】。然而，我們對(duì) 增強(qiáng)子 功能序列特征的理解仍然有限，這阻礙了我們從DNA序列直接預(yù)測(cè) 增強(qiáng)子的 活性，以及解釋 增強(qiáng)子 突變對(duì)基因表達(dá)的影響。 此外， 現(xiàn)有的體內(nèi)分析技術(shù)存在局限性，無法大規(guī)模進(jìn)行，也缺乏對(duì) 增強(qiáng)子 活性模式的精細(xì)解析。

近日，來自 美國(guó)加州勞倫斯-伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 的Len A. Pennacchio和Axel Visel研究團(tuán)隊(duì) 合作 在Nature雜志發(fā)表題 為In vivo mapping of mutagenesis sensitivity of human enhancers的研究論文， 該研究旨在通過體內(nèi)突變和機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，系統(tǒng)地解析人類發(fā)育相關(guān)增強(qiáng)子的功能位點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)人類增強(qiáng)子包含大量對(duì)正常體內(nèi)功能至關(guān)重要的序列特征，且增強(qiáng)子的功能具有高度的復(fù)雜性，包括存在激活和抑制基因表達(dá)的序列元件、多組織表達(dá)模式等。

為了研究哺乳動(dòng)物增強(qiáng)子中的序列特征與其體內(nèi)活性模式之間的關(guān)系 ，研究 人員選擇了七個(gè)在腦、心臟、四肢和面部發(fā)育過程中活躍的增強(qiáng)子，構(gòu)建了超過1700只轉(zhuǎn)基因小鼠，以對(duì)應(yīng)超過260個(gè)經(jīng)過誘變的增強(qiáng)子等位基因。這些突變體涵蓋了增強(qiáng)子中所有可能的序列特征，從而能夠系統(tǒng)地評(píng)估每個(gè)特征對(duì)增強(qiáng)子功能的影響。結(jié)果顯示，超過69%的12堿基對(duì)塊（ 研究人員將增強(qiáng)子以12堿基對(duì)塊進(jìn)行分割和誘變 ）對(duì)于增強(qiáng)子的體內(nèi)活性是必需的，突變更常導(dǎo)致功能喪失（60%），而非功能獲得（9%），表明增強(qiáng)子中序列特征密度很高，并且對(duì)于其功能至關(guān)重要。

為了更精確地理解突變對(duì)增強(qiáng)子功能的影響，研究 人員 利用預(yù)測(cè)模型在堿基對(duì)分辨率上注釋了關(guān)鍵核苷酸。這些模型基于染色質(zhì)可及性數(shù)據(jù)訓(xùn)練，能夠預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)。研究 人員 發(fā)現(xiàn)，這些模型預(yù)測(cè)的大多數(shù)（88%）基序與體內(nèi)功能的變化一致，并且模型表現(xiàn)出較高的敏感性，能夠識(shí)別出59%的功能塊。 這些結(jié)果充分說明 預(yù)測(cè)模型可以有效地識(shí)別增強(qiáng)子中的功能基序，并預(yù)測(cè)突變對(duì)增強(qiáng)子功能的影響，為理解和解釋人類非編碼變異提供了重要的工具。

此外， 研究 人員 還發(fā)現(xiàn)，增強(qiáng)子中存在功能上冗余的 堿基對(duì) 塊，即使突變也不會(huì)影響增強(qiáng)子的活性。這表明，增強(qiáng)子中的功能塊存在多樣性，并且它們的功能可以通過不同的機(jī)制來實(shí)現(xiàn)。例如，某些增強(qiáng)子中存在 “ 阿喀琉斯之踵 ” 堿基對(duì) 塊，即突變會(huì)導(dǎo)致增強(qiáng)子完全喪失功能。這可能是由于這些塊包含多個(gè)重要的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)，而這些位點(diǎn)一旦突變，就會(huì)導(dǎo)致增強(qiáng)子失去功能。

最后， 為了進(jìn)一步研究增強(qiáng)子中功能塊之間的相互作用，研究 人員 比較了單一突變和成對(duì)突變對(duì)增強(qiáng)子活性的影響。結(jié)果顯示，大多數(shù)情況下，功能塊對(duì)整體調(diào)控活性貢獻(xiàn)是累積的。這意味著，多個(gè)功能塊同時(shí)發(fā)生突變會(huì)導(dǎo)致增強(qiáng)子活性更明顯的變化。然而，也存在一些非累積的情況，這可能是由兩個(gè)轉(zhuǎn)錄因子之間的相互作用或細(xì)胞類型特異性功能造成的。這表明，增強(qiáng)子中的功能塊相互作用模式比簡(jiǎn)單的累積邏輯更為復(fù)雜，需要進(jìn)一步的研究來闡明其背后的機(jī)制。

總之，該研究通過對(duì)七個(gè)人類發(fā)育增強(qiáng)子進(jìn)行系統(tǒng)性的突變分析，揭示了增強(qiáng)子中序列特征對(duì)于其體內(nèi)功能的重要性。研究發(fā)現(xiàn)，增強(qiáng)子中存在大量功能上必需的序列特征，并且這些特征可以通過多種機(jī)制來影響增強(qiáng)子的活性。此外，研究人員還開發(fā)了一種基于染色質(zhì)可及性數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)模型，可以有效地識(shí)別增強(qiáng)子中的功能基序，并預(yù)測(cè)突變對(duì)增強(qiáng)子功能的影響。這項(xiàng)研究為理解和解釋人類非編碼變異提供了重要的工具，并為設(shè)計(jì)安全的組織特異性基因療法提供了新的思路。

原文連接：

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09182-w

制版人： 十一

參考文獻(xiàn)

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