Nat Genet | 相向启动子的基因调控

撰文 | 染色体

相向转录（Convergent transcription） ，即正义转录与反义转录的碰撞，在哺乳动物基因组中广泛存在，并被认为会降低RNA的表达水平。近年来，研究发现启动子下游的反义转录现象异常普遍，但其对受影响启动子的功能特征仍缺乏深入研究。

近日，来自德国莱布尼茨老龄化研究所 （FLI） 霍夫曼实验室的Martin Fischer与Steve Hoffmann共同在Nature Genetics期刊发表题为Gene regulation by convergent promoters（相向启动子的基因调控） 的文章。研究揭示，转录标志了一类新型共调控启动子群，约占所有活跃转录起始位点的四分之一，并能启动5'端重叠相向的反义RNA。这一发现挑战了传统的转录干扰模型，并推动了对启动子功能概念的更新。

增强子与启动子之间的转录协调在发育和疾病中起着关键作用【1】。近年来，研究发现启动子下游广泛存在反义转录，由并列启动子驱动的“相向转录”结构会生成多种类型的RNA【2】。尽管相向转录通常被认为与转录干扰有关【3】，但有研究表明反义转录物可能在某些情况下促进基因表达【4】。这表明正义与反义转录之间的调控关系复杂多样，远非简单的抑制或激活模式所能解释。

相向启动子的转录调控

首先， 研究人员探讨了相向启动子的动态特性及其功能。通过使用MDM2抑制剂Nutlin-3a激活转录因子p53，他们在三种细胞系 （MCF-7、U2OS和RPE-1） 中研究了相向启动子。基于CAGE-seq、RNA-seq和GRO-seq数据，研究发现相向启动子间的转录活动呈显著正相关，即使在基因表达水平较高时，这种相关性依然存在。这表明相向转录并未引发转录干扰，反而揭示出相向启动子可能具有协同调控功能。此外，使用单分子荧光原位杂交 （smFISH） 技术，研究人员发现FAS和ACTA2两个基因的相向启动子在同一细胞中可以共转录，进一步支持了相向转录的共调控模式。此外，研究发现转录因子 （如p53、E2F4和RFX7） 可以结合在相向启动子上，从而调控上下游基因的表达。这表明，相向启动子构成了一种分子框架，有助于实现基因的协同调控。

相向启动子的特征和功能

在染色质结构分析中，相向启动子区域表现出开放的染色质特征，并显示典型的活跃标记 （如H3K4me3、H3K9ac、H3K27ac） ，与增强子区域有所区分。ATAC-seq分析表明，相向启动子区域内存在核小体，并在主基因体区域富集转录延伸标记 （如H3K36me3） 。这些发现表明，相向启动子不仅具有协同调控功能，还通过独特的染色质结构和转录因子相互作用调节基因表达，挑战了传统的转录干扰模型。研究进一步揭示，大约四分之一的表达基因的启动子受到相向转录的影响。通过分析宿主基因的转录起始位点 （TSS） 和对应的反义转录起始位点 （daTSS） ，研究人员识别出4,800至6,800对相向启动子对。这些启动子的TSS表现出较高的表达相关性，无论宿主基因的整体表达水平或TSS之间的距离如何，这种相关性始终存在。此外，相向启动子具有典型的染色质结构，其覆盖区域包括TSS附近的CpG岛，并富含H3K4me3和H3K27ac修饰，同时H3K4me1修饰减少。Pol II的占据表明相向转录具有方向性。与常规启动子相比，相向启动子的TSS具有显著更高的表达水平，这与以往认为相向转录与低表达基因相关的观点相矛盾。研究还发现，相向启动子显著富集活跃启动子标记、G4结构，并与R-loop形成相关联。研究还显示，大多数由相向启动子启动的反义转录本 （daRNA） 未被现有基因注释覆盖。通过整合CAGE-seq、RNA-seq和QuantSeq数据，研究人员成功注释了2,158个宿主基因启动的daRNA，其中大部分未包含在现有基因注释中。这些daRNA与宿主基因的表达呈正相关，且与转录的共调控密切相关。进一步实验验证了相向启动子在不同条件下，尤其是在雌激素处理的MCF-7细胞中表现出显著的共调控作用。

综上所述，该研究揭示了相向启动子在基因表达调控中发挥的重要作用，同时与反义转录本及其邻近基因的表达密切相关。这些发现不仅深化了人们对启动子结构的理解，也拓展了对基因调控机制的认知，为基因表达调控领域提供了重要的新视角。

https://doi.org/10.1038/s41588-024-02025-w

制版人：十一

参考文献

[1] Kim, T.-K. & Shiekhattar, R. Architectural and functional commonalities between enhancers and promoters.Cell162, 948-959 (2015).

[2] Mayer, A. et al. Native elongating transcript sequencing reveals human transcriptional activity at nucleotide resolution.Cell161, 541-554 (2015).

[3] Hobson, D. J., Wei, W., Steinmetz, L. M. & Svejstrup, J. Q. RNA polymerase II collision interrupts convergent transcription.Mol. Cell48, 365-374 (2012).

[4] Canzio, D. et al. Antisense lncRNA transcription mediates DNA demethylation to drive stochastic protocadherin α promoter choice. Cell 177, 639-653.e15 (2019).

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