Nature | REX：增强子实现远距离调控的新元件

撰文|存中一贯

转录增强子是顺式非编码基因组件，它们能够响应内部和外部信号并激活不同类型细胞中的基因表达【1】。增强子通常能够远距离调控它们的靶标启动子活性。打破这种调控作用也往往会导致各种疾病的发生，如发育异常或癌症等【2】。

增强子通常通过物理上接近来激活其靶标启动子，但相关的机制目前还未完全阐释清楚【3】。越来越多的证据表明，高阶三维染色质组织和结构CTCF以及cohesin蛋白通过将增强子-启动子通讯（enhancer-promoter,E-P）限制在拓扑相关结构域（topologically associating domains,TADs）来促进E-P相互作用【4】。然而，在CTCF和cohesin敲除的细胞中，高阶三维染色质组织和染色质环的消失仅仅部分影响了E-P通讯和基因表达【5】。尤其是，在CTCF结合位点敲除以及TADs结构被破坏的情况下，发育相关基因仍能稳定表达【6】，说明在基因组中仍旧存在着额外的元件，能够调控E-P通讯，维持发育进展，这是目前我们尚未发现的重要机制。

近日，来自美国加利福尼亚大学尔湾分校的Evgeny Z. Kvon团队在Nature杂志发表了文章

Range extender mediates long-distance enhancer activity

研究人员以小鼠中调控肢体发育关键基因Shh表达的增强子ZRS（也叫MFCS1）为范例进行研究。ZRS距离Shh启动子约848 kb，ZRS功能缺失会导致Shh不表达进而引起肢体发育畸形，因此，ZRS-Shh是一对长程增强子调控的经典范例。研究人员对于那些具有短距离和中距离调控作用的增强子是否能够跨越距离调控长距离目标启动子活性进行了检测。首先，研究人员选择了另外4个在ZPA区域同样能够发挥作用的增强子MM1492，MM1564，HS1516和HS72。已知原本它们调控目标基因的距离分别是73kb，177kb，147kb，411kb。研究人员设计分别用这些增强子取代ZRS增强子的位置，通过检测肢体发育表型，发现这些替代增强子并不能促进Shh的表达，另外，进一步的ATAC-seq研究也显示，替换之后，HS72和HS1516增强子确实是具有功能的，但却无法激活长距离的基因表达，说明具有短距离和中距离调控作用的增强子不能跨越距离调控长距离基因启动子的活性。

之后，研究人员试图将HS72增强子插入到Shh上游2kb处，发现其能够促进Shh启动子的活性和基因表达。这些实验说明，长距离调控增强子与中短距离增强子的差别可能仅在于基因组的距离上。研究人员假设，存在某种顺式作用元件能够扩大增强子的作用距离，而HS72和HS1516增强子在替换ZRS后无法激活Shh启动子的原因则是因为缺少这种基因元件。为此，研究人员在4个候选增强子中，审查了作用距离最长的HS72（411kb）增强子周围的序列，发现在HS72增强子上游一段基因组中存在一段保守的序列，这段序列不影响HS72的增强子活性，但可能具有促进其实现远距离调控的功能。

研究人员将这段序列命名为REX序列，当将REX和HS72共同替换ZRS后，HS72增强子获得了对Shh基因启动子的激活能力。另外，REX序列单独并不能激活靶标启动子的活性和基因表达。同样的，REX与短距离调控功能的MM1492联用依然能够激活Shh基因的表达。

研究人员进一步分析了REX序列中转录因子的结合基序，发现在REX中缺少CTCF和YY1基序，但存在LHX2、LHX9以及LEF1基序。研究人员通过缺失突变对这几个基序的功能进行了检测，发现两个LHX基序是REX维持功能的关键基序。研究人员还通过VISTA Enhancer Browser对长距离作用的增强子序列进行分析，发现LHX2和LHX9在这些增强子中被富集，其中HD转录因子更偏向于结合在[C/T]AATTA保守序列上，同时，ZRS中也含有4个[C/T]AATTA保守序列，这些保守序列是ZRS发挥功能的关键序列。

总之，本文发现了增强子远距离调控目标启动子活性的一个新的顺式作用元件REX，丰富了我们对增强子作用机制的认识，也给增强子活性调控提供了新的思路和基础。

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09221-6

制版人： 十一

参考文献

1. Serebreni, L. & Stark, A. Insights into gene regulation: from regulatory genomic elements to DNA-protein and protein-protein interactions. Curr. Opin. Cell Biol. 70, 58–66 (2021).

2. Long, H. K. et al. Loss of extreme long-range enhancers in human neural crest drives a craniofacial disorder. Cell Stem Cell 27, 765–783 (2020).

3. Hafner, A. & Boettiger, A. The spatial organization of transcriptional control. Nat. Rev. Genet. 24, 53–68 (2023).

4. Robson, M. I., Ringel, A. R. & Mundlos, S. Regulatory landscaping: how enhancer-promoter communication is sculpted in 3D. Mol. Cell 74, 1110–1122 (2019).

5. Hsieh, T.-H. S. et al. Enhancer–promoter interactions and transcription are largely maintained upon acute loss of CTCF, cohesin, WAPL or YY1. Nat. Genet. 54, 1919–1932 (2022).

6. Ghavi-Helm, Y. et al. Highly rearranged chromosomes reveal uncoupling between genome topology and gene expression. Nat. Genet. 51, 1272–1282 (2019).

学术合作组织

（*排名不分先后）

战略合作伙伴

（*排名不分先后）

转载须知

【原创文章】BioArt原创文章，欢迎个人转发分享，未经允许禁止转载，所刊登的所有作品的著作权均为BioArt所拥有。BioArt保留所有法定权利，违者必究。

BioArt

Med

Plants

人才招聘

近期直播推荐

点击主页推荐活动

关注更多最新活动！