Nature | 利用体内突变揭示人类增强子的功能

撰文 | 格格

转录增强子（enhancer）是一类重要的DNA序列，它们通过结合转录因子来调控基因的表达【1-3】。然而，我们对 增强子 功能序列特征的理解仍然有限，这阻碍了我们从DNA序列直接预测 增强子的 活性，以及解释 增强子 突变对基因表达的影响。 此外， 现有的体内分析技术存在局限性，无法大规模进行，也缺乏对 增强子 活性模式的精细解析。

近日，来自 美国加州劳伦斯-伯克利国家实验室 的Len A. Pennacchio和Axel Visel研究团队 合作 在Nature杂志发表题 为In vivo mapping of mutagenesis sensitivity of human enhancers的研究论文， 该研究旨在通过体内突变和机器学习的方法，系统地解析人类发育相关增强子的功能位点，发现人类增强子包含大量对正常体内功能至关重要的序列特征，且增强子的功能具有高度的复杂性，包括存在激活和抑制基因表达的序列元件、多组织表达模式等。

为了研究哺乳动物增强子中的序列特征与其体内活性模式之间的关系 ，研究 人员选择了七个在脑、心脏、四肢和面部发育过程中活跃的增强子，构建了超过1700只转基因小鼠，以对应超过260个经过诱变的增强子等位基因。这些突变体涵盖了增强子中所有可能的序列特征，从而能够系统地评估每个特征对增强子功能的影响。结果显示，超过69%的12碱基对块（ 研究人员将增强子以12碱基对块进行分割和诱变 ）对于增强子的体内活性是必需的，突变更常导致功能丧失（60%），而非功能获得（9%），表明增强子中序列特征密度很高，并且对于其功能至关重要。

为了更精确地理解突变对增强子功能的影响，研究 人员 利用预测模型在碱基对分辨率上注释了关键核苷酸。这些模型基于染色质可及性数据训练，能够预测转录因子结合位点。研究 人员 发现，这些模型预测的大多数（88%）基序与体内功能的变化一致，并且模型表现出较高的敏感性，能够识别出59%的功能块。 这些结果充分说明 预测模型可以有效地识别增强子中的功能基序，并预测突变对增强子功能的影响，为理解和解释人类非编码变异提供了重要的工具。

此外， 研究 人员 还发现，增强子中存在功能上冗余的 碱基对 块，即使突变也不会影响增强子的活性。这表明，增强子中的功能块存在多样性，并且它们的功能可以通过不同的机制来实现。例如，某些增强子中存在 “ 阿喀琉斯之踵 ” 碱基对 块，即突变会导致增强子完全丧失功能。这可能是由于这些块包含多个重要的转录因子结合位点，而这些位点一旦突变，就会导致增强子失去功能。

最后， 为了进一步研究增强子中功能块之间的相互作用，研究 人员 比较了单一突变和成对突变对增强子活性的影响。结果显示，大多数情况下，功能块对整体调控活性贡献是累积的。这意味着，多个功能块同时发生突变会导致增强子活性更明显的变化。然而，也存在一些非累积的情况，这可能是由两个转录因子之间的相互作用或细胞类型特异性功能造成的。这表明，增强子中的功能块相互作用模式比简单的累积逻辑更为复杂，需要进一步的研究来阐明其背后的机制。

总之，该研究通过对七个人类发育增强子进行系统性的突变分析，揭示了增强子中序列特征对于其体内功能的重要性。研究发现，增强子中存在大量功能上必需的序列特征，并且这些特征可以通过多种机制来影响增强子的活性。此外，研究人员还开发了一种基于染色质可及性数据的预测模型，可以有效地识别增强子中的功能基序，并预测突变对增强子功能的影响。这项研究为理解和解释人类非编码变异提供了重要的工具，并为设计安全的组织特异性基因疗法提供了新的思路。

原文连接：

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

制版人： 十一

参考文献

1. Lambert, S. A. et al. The human transcription factors.Cell172, 650–665 (2018) ；

2. Fickett, J. W. Quantitative discrimination of MEF2 sites.Mol. Cell. Biol.16, 437–441 (1996) ；

3. Gotea, V. et al. Homotypic clusters of transcription factor binding sites are a key component of human promoters and enhancers.Genome Res.20, 565–577 (2010).

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