突破经典，转录因子调节基因或存在第三基础特性

撰文 | 咸姐

转录因子（TF）是哺乳动物中最大的一类蛋白质家族，在人类基因组中由大约1600个基因编码，每种细胞类型表达大约150-400个TF，共同协调细胞的基因表达程序，定义每个细胞的身份。TF普遍包含两个重要的结构域，一个是可以识别特定序列的DNA结合结构域，其能够形成稳定结构，并可基于此对TF进行分类，此外，多个转录因子可共同结合到基因的增强子和启动子近端区域；另一个是表现出较少序列保守性的效应结构域，可以招募共激活蛋白或共抑制蛋白，通过动员核小体、修饰染色质相关蛋白、影响基因组结构、招募转录装置以及控制转录起始和延长等机制参与基因调控（图1）【1-3】。TF这两个经典的结构域已经成为基因调控模型的基础，然而，随着研究深入，人们发现RNA分子是在TF结合位点产生的，而且一些TF和辅因子可以结合RNA，那么，TF是否已经进化到可以与普遍存在于基因调控区但含有迄今为止未被识别的RNA结合结构域的RNA分子相互作用呢？

图1 不同家族TF的DNA结合和效应结构域示意图

2023年7月3日，来自美国怀特黑德研究所的Richard A. Young团队在Molecular Cell上在线发表题为“Transcription factors interact with RNA to regulate genes”的文章，发现至少有一半的TF也可以结合RNA分子，这是通过一个从未被识别的类似于HIV Tat反式激活因子的RNA结合精氨酸富集基序（ARM）的结构域实现的，同时证实TF-RNA结合抑制了TF在染色质中的迁移，有助于基因调控，而且是脊椎动物正常发育的重要保守特征，当其存在缺陷时将参与疾病的发病机制，由此扩展了人们对TF的认识——结合DNA、RNA和蛋白质的能力是许多TF的一般特性，也是其基因调控功能的基础。

本文研究人员首先对从人K562细胞分离的细胞核进行了高通量RNA-蛋白交联试验（RNA结合区鉴定[RBR-ID]，该方法使用紫外交联和质谱技术检测埃级交联，反映了细胞中蛋白质和RNA分子之间的直接相互作用），实验结果不仅包括了来自已知RBP的肽段的预期分布，而且在该试验中广泛分布的TF具有与RNA交联的肽，且不依赖于其细胞丰度。在K562细胞中，RBR-ID数据集中鉴定的近一半（48%）的TF显示出与RNA结合的证据。进一步分析结果表明RNA结合是参与不同细胞过程并拥有不同DNA结合结构域的TF所共有的特性。对与特定TF（如GATA2）相互作用的RNA进行鉴定发现TF可以与在其DNA结合位点附近产生的RNA结合。

为了证实在细胞中发现的TF可以结合RNA分子的证据，研究人员随后选择了13个在细胞中显示出与RNA交联证据的TF，它们不同的细胞功能都得到了很好的研究，且属于不同TF家族的成员，从人类细胞中纯化这些TF后，利用荧光偏振试验在体外测量它们的RNA结合亲和力。实验结果显示，这些TF可以结合RNA，它们之间的亲和力与在RNA加工中具有已知生理作用的RNA结合蛋白相似，并且它们可结合不同的RNA序列。

那么TF中是否有利于RNA结合的区域呢？研究人员搜索了TF中共同的局部氨基酸特征，发现近80%的TF的DNA结合结构域附近有一簇碱性残基，它们包含一个序列基序，类似于HIV Tat反式激活因子的RNA结合结构域，称为ARM。与蛋白质组的其余部分相比，这些ARM样结构域在TF中富集，而且具有进化上保守的序列，且与不同类型的DNA结合结构域相邻。由此表明TF中通常包含保守的ARM样结构域，即TF-ARM。进一步实验证实，TF-ARM是RNA结合的必要充分条件，而且一些TF-ARM可能在一定程度上有助于DNA结合，但另一些则不然。与此同时，研究人员还发现TF-ARM可以发挥Tat-ARM的功能，并以RNA依赖的方式激活基因表达。

对TF-RNA结合的作用进行深入探索后，研究人员发现，TF-RNA相互作用增强了TF与染色质结合，尽管TF的DNA和蛋白质结合部分在基因激活中起主要作用，但TF-RNA结合有助于微调转录输出。TF可通过与染色质不同组分的动态相互作用的搜索过程来参与其增强子和启动子DNA结合位点，细胞内TF动态的单分子图像分析表明，TF在染色质中对其结合位点进行了高度动态的搜索，由此适用于一种三态模型，即TF处于不移动的（可能与DNA结合）、亚扩散的（可能与染色质成分相互作用）和自由扩散的三种状态中。本文研究人员通过实验发现TF-ARM增强了TF与染色质相关的时间范围，TF中ARM样结构域的缺失降低了处于亚扩散状态和不移动状态的分子比例，而增加了自由扩散分子的比例。

TF是发育过程中细胞类型特异性基因表达程序的基本控制因子，因此，本文研究人员接下来探索了TF-ARM是否有助于TF在体内正常发育中的作用，实验结果证实TF-ARM确实有助于正常发育。与此同时，对致病突变的精确数据库的分析发现了TF-ARM中数百种与疾病相关的错义突变，这些突变与生殖系和体细胞疾病有关，包括多种癌症和发育综合征，进一步实验也表明TF-ARM中的疾病相关突变可以破坏TF-RNA的结合。

综上所述，关于TF的经典观点是它们通过结合DNA和蛋白质分子的结构域的协同功能引导转录装置到达基因并控制转录输出，而本研究的证据表明，大多数TF也含有有助于基因调控的RNA结合结构域，参与RNA结合，由此为进一步推进人们对疾病中基因调控及其失调的理解提供了新的机会。与此同时，认识到TF可以与DNA和RNA分子相互作用，可能有助于破译多个TF共同结合到基因组特定调控区域的“密码”，为基因调控机制提供更多的见解，也可能为增强子中GWAS变异（这些变异发生在DNA和RNA中）的致病机制提供新的线索。

https://doi.org/10.1016/j.molcel.2023.06.012

参考文献

1.Lambert, S.A., Jolma, A., Campitelli, L.F., et al. (2018). The human transcription factors. Cell 172, 650–665.

2.Soto, L.F., Li, Z., Santoso, C.S., et al. (2022). Compendium of human transcription factor effector domains. Mol. Cell 82, 514–526.

3.Vos, S.M. (2021). Understanding transcription across scales: from base pairs to chromosomes. Mol. Cell 81, 1601–1616.