撰文丨章臺柳

哺乳動物基因組中，遠端調(diào)控元件（如增強子）通常調(diào)控著數(shù)十至數(shù)百千堿基（kb）以外的靶標(biāo)啟動子。然而，它們?nèi)绾慰缭饺绱碎L的基因組距離進行通訊仍不明確。染色質(zhì)的動態(tài)折疊可使增強子與啟動子在細胞核的三維空間上靠近。其中黏連蛋白復(fù)合物介導(dǎo)的DNA環(huán)擠壓是染色體折疊及其動態(tài)變化的主要驅(qū)動機制。已有有力證據(jù)表明，黏連蛋白介導(dǎo)的環(huán)擠壓及其產(chǎn)生的長程相互作用可在某些發(fā)育過程中促進遠端增強子的功能。早期在果蠅中篩選介導(dǎo)長程增強子-啟動子通訊的因子時，發(fā)現(xiàn)了NIPBL同源物——這是DNA環(huán)擠壓必需的一種黏連蛋白輔因子。NIPBL或黏連蛋白的突變可導(dǎo)致多系統(tǒng)疾病（如Cornelia de Lange綜合征）及組織特異性疾?。òǘ喾N癌癥）。但關(guān)于黏連蛋白及三維基因組折疊在多大程度上支持長程增強子功能仍存在廣泛爭議。清除黏連蛋白會引發(fā)廣泛的染色體錯誤折疊，但由于黏連蛋白在姐妹染色單體黏連中的核心作用，對增殖細胞的研究只能局限在幾小時內(nèi)，而此時轉(zhuǎn)錄失調(diào)的程度有限。因此，依賴黏連蛋白擠壓的基因座范圍及其依賴程度仍有待研究。

具有遠端增強子的基因座對黏連蛋白的依賴性也并不一致。基于重建報告基因座或人工增強子激活的合成生物學(xué)方法表明，黏連蛋白可能對長程（而非短程）增強子-啟動子通訊尤為重要。要超越這些合成系統(tǒng)，理解為何某些基因座更依賴黏連蛋白，需要建立可同步操控環(huán)擠壓和基因組背景的可控模型。此外，由于缺乏能在增殖細胞中可誘導(dǎo)地終止黏連蛋白環(huán)擠壓功能、且不引發(fā)細胞周期缺陷的受控發(fā)育模型，關(guān)于黏連蛋白介導(dǎo)的順式調(diào)控網(wǎng)絡(luò)重要性的一系列關(guān)鍵問題仍未解決。通過可誘導(dǎo)敲除模型，有研究提出黏連蛋白可能對建立新轉(zhuǎn)錄程序比維持現(xiàn)有程序更重要。然而其他研究表明，黏連蛋白缺失可能不會普遍地阻礙轉(zhuǎn)錄激活，且多種靜息細胞類型中的組成型表達基因仍可依賴黏連蛋白。更復(fù)雜的是，部分基因座能根據(jù)發(fā)育階段從依賴黏連蛋白轉(zhuǎn)變?yōu)椴灰蕾?。因此?strong>黏連蛋白擠壓對發(fā)育過程的貢獻仍需明確。

近日，來自UCSF的Elphège P. Nora團隊在Science雜志上發(fā)表文章

Synergy between regulatory elements can render

cohesin

dispensable for distal enhancer function

研究人員首先在小鼠胚胎干細胞的內(nèi)源性NIPBL的N端加入誘導(dǎo)型降解標(biāo)簽（NIPBL-FKBP），加入dTAG-13數(shù)小時內(nèi)即可將NIPBL水平降至10%以下，導(dǎo)致拓撲關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)域尺度上的長程染色質(zhì)互作急劇喪失，與黏連蛋白（RAD21）降解的細胞表型相似。但與之不同的是，NIPBL降解的細胞在經(jīng)歷多個細胞周期后仍持續(xù)增殖，未出現(xiàn)異常核形態(tài)或嚴(yán)重細胞周期缺陷。由于NIPBL敲除的胚胎干細胞無法存活，推測NIPBL降解細胞能維持正常細胞分裂得益于細胞內(nèi)殘留的微量NIPBL。NIPBL-FKBP胚胎干細胞的RNA測序顯示，在NIPBL降解24小時內(nèi)出現(xiàn)數(shù)百個失調(diào)基因。全局H3K27ac和H3K27me3的CUT&Tag信號在NIPBL降解24小時后基本保持穩(wěn)定，表明調(diào)控元件的內(nèi)在調(diào)控潛能未因環(huán)擠壓的短期破壞而改變。相反，下調(diào)基因傾向于在約200 kb范圍內(nèi)具有更高密度的H3K27ac和NIPBL峰，揭示這些基因通常位于環(huán)擠壓富集物理相互作用的基因組范圍內(nèi)的遠端調(diào)控元件富集區(qū)。上調(diào)基因未表現(xiàn)出明顯的基因組特征。在神經(jīng)祖細胞中降解NIPBL同樣在24小時內(nèi)導(dǎo)致數(shù)百個基因失調(diào)，但對NIPBL降解的轉(zhuǎn)錄應(yīng)答與胚胎干細胞存在顯著差異。實際上，僅在兩種細胞類型中共同失調(diào)的基因極少——這與增強子的細胞類型特異性一致。即NIPBL對維持轉(zhuǎn)錄譜至關(guān)重要，而特定基因是否依賴環(huán)擠壓取決于細胞類型特異性過程。而且，破壞環(huán)擠壓不會阻礙分化過程中新轉(zhuǎn)錄譜的出現(xiàn)或細胞類型多樣化。

對部分基因座不依賴環(huán)擠壓進行增強子-啟動子互作的原因進行探究，發(fā)現(xiàn)黏連蛋白環(huán)擠壓對遠端（而非近端）增強子-啟動子互作具有關(guān)鍵作用，且這種依賴性開始出現(xiàn)的距離（約20kb）遠短于既往的報道。但轉(zhuǎn)錄組分析顯示部分基因并不遵循距離依賴性規(guī)律。以胚胎干細胞中Sox2基因座及其遠端超級增強子為例，Sox2控制的區(qū)域（SCR）距離Sox2啟動子超過100kb，但環(huán)擠壓破壞僅導(dǎo)致其表達下調(diào)25%，而依賴于環(huán)擠壓的Car2基因表達下調(diào)80%。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，SCR在Sox2中依賴環(huán)擠壓的臨界距離>100 kb，而在Car2中僅約20 kb。當(dāng)Sox2啟動子與SCR插入異位基因座時，其轉(zhuǎn)錄表現(xiàn)出強距離依賴性，說明天然Sox2基因座的低依賴性源于啟動子和SCR之外的其他遺傳元件。除SCR外，Sox2啟動子上游及Sox2與SCR之間還存在其他具有弱調(diào)控活性的元件。這些元件雖具有自主增強子活性，但此前認為其對Sox2基礎(chǔ)表達貢獻有限。刪除實驗顯示，刪除SRR2元件使Sox2表達高度依賴NIPBL，而其他缺失未引發(fā)此效應(yīng)。說明Sox2對環(huán)擠壓缺失的耐受性源于啟動子近端的SRR2元件，且SRR2支持SCR的長程作用并非通過充當(dāng)不依賴黏連蛋白的染色質(zhì)互作錨定點實現(xiàn)。對SRR2的定位進行探究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)SCR位于Sox2轉(zhuǎn)錄起始位點17kb內(nèi)時，即使刪除SRR2，Sox2表達仍對NIPBL降解完全不敏感；但當(dāng)SCR距離超過40kb時，SRR2在NIPBL降解后對維持SCR介導(dǎo)的調(diào)控變得至關(guān)重要。用兩種弱增強子來替換SRR2，兩者均能替代SRR2穩(wěn)定NIPBL降解后的Sox2表達，表明該緩沖功能是啟動子近端弱增強子的普適特性，而非SRR2獨有。當(dāng)SRR2位于轉(zhuǎn)錄起始位點上游2kb時，仍能有效介導(dǎo)不依賴黏連蛋白的通訊；但隨著其向下游遷移（17kb和41kb），緩沖功能逐漸減弱。因此，SRR2類元件在轉(zhuǎn)錄起始位點近端（<17kb）時最能有效支持遠端增強子的不依賴黏連蛋白調(diào)控，該距離范圍與增強子不依賴黏連蛋白發(fā)揮功能的基因組區(qū)間一致。將SRR2移植到Car2基因座能夠使該基因座對NIPBL降解產(chǎn)生抵抗，但僅當(dāng)其位于Car2啟動子19kb以內(nèi)，才能夠支持遠端增強子不依賴環(huán)擠壓的激活。此外，啟動子近端調(diào)控元件可幫助跨越強CTCF絕緣子。

總的來說，這項研究顯示，至少存在兩種獨特且互補的機制支持長程增強子功能：黏連蛋白環(huán)擠壓作用；與啟動子近端元件的協(xié)同作用。僅當(dāng)缺乏此類近端元件時（如Car2基因座），黏連蛋白環(huán)擠壓才成為啟動子與遠端增強子間有效調(diào)控通訊的必要條件。反之，啟動子近端調(diào)控元件（如Sox2基因座）可提供基因組背景，使遠端增強子能夠在不依賴黏連蛋白環(huán)擠壓的情況下實現(xiàn)長距離互作（甚至可能跨越拓撲關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)域邊界）。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt4221

制版人： 十一

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