Nature｜启动子-增强子相互作用的非线性转录调控

撰文 | 十一月

哺乳动物的染色体结构是通过调控增强子和启动子之间的三维相互作用来调控转录的，特别是通过CTCF介导的环与拓扑关联结构域（Topologically associating domains，TADs）【1-2】。但是染色体之间的相互作用是如何转化为转录产物的还不甚清楚。

近日，瑞士巴塞尔弗里德里希·米歇尔生物医学研究所Luca Giorgetti研究组在Nature上发表了文章Nonlinear control of transcription through enhancer-promoter interactions，通过对特定启动子的分析，将增强子定位在染色体不同位置上，揭开增强子转录效应与启动子相互作用已以及输出的非线性相关关系。

染色体构象捕获实验发现增强子与启动子相互作用主要发生在TADs之中，TADs的形成来自于DNA结合蛋白CTCF作为内聚蛋白的环挤压活性。TAD边界和CTCF环形成有利于特定基因组区域内增强子与启动子之间的相互作用，但是不利于周围序列的“通讯”，因而形成了屏障作用。但是最近这一观点受到了挑战，因为研究表明TAD边界的破坏或者是CTCF的缺失并不会导致基因表达的系统性变化，而且一些调控的序列可以跨TAD边界发挥作用。物理上邻近性对于增强子和启动子相互作用对转录输出的一般性原则还尚无定论。因此，作者们希望构建一个系统对该问题进行回答。

作者们所建立的系统需要对增强子-启动子之间的关系具有定量性地了解，因此，作者们将增强子插入到与启动子相关的不同基因组位置中，从而测量转录水平与增强子位置以及增强子-启动子接触频率的相关性（图1）。具体来说，作者们构建了携带不同转基因的小鼠胚干细胞，其中启动子驱动增强型绿色荧光蛋白的表达，但是eGFP被piggyBac转座子连接的增强子分为两部分。在转座酶表达后，转座子区域会被随机整合到的基因组的区域，然后通过eGFP两个不同部分重新组合到一起，可以分选单个eGFP表达的细胞，并快速产生数以百计的不同细胞品系。因此可以对增强子位置以及eGFP表达作为转录输出之间的关系进行定量化研究。

图1 工作流程

作者们引入了小鼠Sox2启动子以及4.8kb的相关增强子区域SCR，发现在TAD中，eGFP的表达随着增强子-启动子基因组距离的增加而降低。因此，作者们发现基因转录水平及其细胞间的可变性在转录输出的数量上取决于增强子-启动子基因组距离。

进一步地，作者们希望对基因组中增强子-启动子之间的相互作用频率与转录输出水平之间的相关性进行鉴定。作者们发现eGFP mRNA的数量与增强子-启动子之间相互作用的频率之间呈现高度非线性关系（Nonlinear relationship），并由此建立了一个增强子调节的数学模型。

随后作者们想知道CTCF结合是否会影响转录水平以及相互作用频率之间的非线性关系，发现删除单个CTCF结合位点与完全删除CTCF结合位点相比转录水平降低60%，但启动子与CTCF下游区域的相互作用概率并没有发生显著的变化。因此，单个CTCF也会发挥转录绝缘作用，但其中可能存在取决于基因组区域特征的一些其他机制。

总的来说，作者们为启动子输出的定量化研究提供了一个新的模型，可以在不引入其他的影响情况下对增强子位置进行分析，并对转录水平进行测量，从而建立两者之间的相关性研究。基于该模型，作者们发现在基因组拓扑结构域中，转录的绝对水平依赖于启动子和增强子之间的基因组距离，同时也非线性地依赖于两者之间的相互作用频率。另外，转录绝缘的水平并非TAD边界或者CTCF结合位点的内在特征，同时也受到增强子强度、拓扑结构域边界强度以及与启动子之间距离的调控。

参考文献

1. Nora, E. P. et al. Spatial partitioning of the regulatory landscape of the X-inactivation centre.Nature485, 381–385 (2012).

2. Dowen, J. M. et al. Control of cell identity genes occurs in insulated neighborhoods in mammalian chromosomes.Cell159, 374–387 (2014).

3. Lupiáñez, D. G. et al. Disruptions of topological chromatin domains cause pathogenic rewiring of gene-enhancer interactions.Cell161, 1012–1025 (2015).

4. Hnisz, D. et al. Activation of proto-oncogenes by disruption of chromosome neighborhoods.Science351, aad9024 (2016)

https://doi.org/10.1038/s41586-022-04570-y