Nat Genet | 发现G-四链体是一种启动子功能元件

撰文 | 林无隅

在早期的真核生物转录研究中，核心启动子（core promoter）被类比于细菌的转录模型，并通过体外转录实验被定义为 “ 足以指导RNA聚合酶II（Pol II）准确启动转录的最小连续DNA序列区域 ”【1】。然而，与细菌不同，真核生物的转录启动不仅依赖核心启动子序列本身，还需通过核小体排斥（nucleosome exclusion）以便转录因子的结合与转录起始复合物的组装【2】。除了核心启动子之外，真核启动子通常还包含更广泛的序列背景，这些区域在不同物种间有所差异，但普遍具有组织良好的核小体阵列与开放染色质特征。在哺乳动物中，CpG岛因其高GC含量和CpG密度可在无转录情况下促进染色质开放【3,4】。近年来 研究 发现，启动子区域富集多种潜在DNA二级结构，尤其是G-四链体（G-quadruplex，G4），提示其在转录调控中可能发挥关键作用。尽管已有研究表明G4结构与转录活性相关，但其具体机制仍存在争议，且尚不清楚G4是否可作为功能性的启动子元件独立调控转录过程。

近日， 法国蒙彼利埃分子遗传学研究所（IGMM）的Jean-Christophe Andrau和Cyril Esnault团队在NatureGenetics杂志上发表了 文章G-quadruplexes are promoter elements controlling nucleosome exclusion and RNA polymerase II pausing。该团队通过G4 ChIP-seq和MNase-seq等技术发现一种特殊的DNA二级结构——G4在哺乳动物启动子区域高度富集。G4结构通常位于启动子中核小体排斥最强的位置，并与启动子活性 相关联。实验显示，G4不仅能在体内外排斥核小体，还能促进核小体的精确定位。在模型启动子中，破坏G4结构会削弱转录活性和染色质开放程度；而稳定G4结构则可减少RNA聚合酶II在启动子附近的停滞现象。因此，该研究表明G4是一种真正的启动子功能元件，有助于排斥核小体并促进转录暂停后的释放。

研究人员首先通过G4的染色质共沉淀（ChIP）和G4测序（G4-seq）全基因组水平绘制了G4在染色质总的具体位置。作者发现，G4结构并非随机分布在基因组中而是高度富集在基因组的启动子区域，尤其是转录非常活跃的基因。随后，作者进一步利用微球核糖体酶（MNase）来消化染色质，这种酶会切掉核小体间裸露的DNA。通过测序被核小体保护下来的DNA片段，发现G4结构信号最强的区域，则恰恰是核小体被排斥最厉害的区域。该发现强烈暗示G4结构本身具有排斥核小体的能力。

为了进一步探索其背后的机理，作者通过G4的小分子稳定剂（Pyridostatin，PDS）处理细胞，通过ChIP-seq和 瞬时转录本测序（TT-seq）等多种角度对Pol II活性和转录状态以及G4的变化进行检测。研究人员发现，在PDS处理后Pol II在启动子区域信号降低，而在基因内信号升高，表明Pol II脱离暂停状态进入延伸阶段，且该现象存在于大多数基因。因此该研究进一步证明G4具有调控Pol II停顿和延伸的作用。

总之， 作者通过结合G4结构预测与多种体内外实验（如G4access、ChIP-seq、MNase-seq 等 ），发现G-四链体（G4）在哺乳动物启动子中高度富集，能排斥核小体并促进RNA聚合酶II的暂停释放。进一步研究表明，G4是功能性的启动子元件，独立于转录活动形成，并通过调控染色质结构和转录动力学影响基因表达。该研究回答了启动子区域结构如何影响转录启动和延伸的关键问题，拓展了对真核基因调控机制的理解。

https://doi.org/10.1038/s41588-025-02263-6

制版人： 十一

参考文献

1. Butler, J. E. & Kadonaga, J. T. The RNA polymerase II core promoter: a key component in the regulation of gene expression.Genes Dev.16, 2583–2592 (2002).

2. Jiang, C. & Pugh, B. F. Nucleosome positioning and gene regulation: advances through genomics.Nat. Rev. Genet.10, 161–172 (2009).

3. Deaton, A. M. & Bird, A. CpG islands and the regulation of transcription.Genes Dev.25, 1010–1022 (2011).

4. Fenouil, R. et al. CpG islands and GC content dictate nucleosome depletion in a transcription-independent manner at mammalian promoters.Genome Res.22, 2399–2408 (2012).

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