撰文 | 染色体
基因表达调控对于生物体的发育与功能维持至关重要【1】。在真核基因组中，增强子（Enhancer）作为重要的顺式调控元件，能够在远离靶基因启动子的位点激活基因表达【2】。然而，随着增强子与其靶基因之间距离的增加，其调控效率会显著降低，这种现象给我们解析长距离基因调控的机制带来了挑战【3-4】。尽管多数基因受多个增强子的协同调控，但增强子之间如何在基因组上相互作用，以及它们是否能够弥补距离增加带来的活性丧失，仍是未解之谜。
2024年12月2日，来自奥地利Max Perutz实验室的Christa Buecke与Henry F. Thomas共同在Molecular Cell期刊发表题为Enhancer cooperativity can compensate for loss of activity over large genomic distances（增强子协同作用可补偿基因组距离引起的活性丧失）的文章。研究人员开发了一种基于小鼠胚胎干细胞的合成生物学平台，利用荧光报告基因体系定量评估增强子活性。通过在不同的基因组距离（1.5 kb、25 kb和75 kb）插入单一或多个增强子，系统研究增强子在基因表达调控中的活动和相互作用。
为了探究不同增强子在距离增加时的调控特性，研究人员设计了一个系统化的多功能平台来测试增强子活性及其距离依赖性，旨在解析增强子在长距离调控中的作用机制，重点探讨增强子协同作用是否能在长基因组距离内补偿其单独活性的下降。
研究系统的设计
为了研究增强子与启动子之间的距离依赖性激活，研究人员开发了一种小鼠胚胎干细胞（mESC）模型，并利用该模型构建了一个合成平台。这一平台能够将不同的增强子序列插入到基因组的特定位置，并通过报告基因来检测不同增强子对启动子的激活效果。报告基因系统的使用使得研究人员能够定量地分析增强子的活性，并系统地评估不同距离对增强子功能的影响。实验设计中，研究人员选取了多种已知的强增强子和弱增强子，构建了不同的基因组布局，其中包含了多个增强子与启动子之间的不同距离。通过这些不同的组合，研究人员能够在不同的基因组距离上测试增强子的活性，从而全面评估距离对增强子调控能力的影响。此外，研究人员还将CTCF（CCCTC-binding factor）位点作为一个调控因素进行考察，因为CTCF被认为在基因组和增强子-启动子相互作用中发挥重要作用。通过加入CTCF位点，研究人员探讨了其是否能够影响增强子与启动子之间的距离依赖性激活。
研究结果
研究结果表明，增强子的距离依赖性激活是一个复杂的现象，不同类型的增强子在距离上的表现差异较大。研究人员发现，随着增强子和启动子之间的距离增加，增强子的激活能力通常会呈现出下降的趋势。对于一些强增强子而言，即使与启动子的距离相对较远，它们仍然能够有效激活目标基因的表达。这一现象表明，某些增强子具备较强的跨越基因组远距离的能力，可以在相对较远的距离上与启动子相互作用，推动基因的高效表达。然而，对于弱增强子来说，当增强子和启动子之间的距离较大时，其激活能力显著下降。即使是在基因组相对较短的距离范围内，弱增强子也往往无法实现有效的基因激活，这进一步验证了增强子本身的强度在调控活性中的关键作用。更为重要的是，研究人员还发现增强子之间的协同作用对于跨越距离的激活能力起到了重要作用。当两个不同强度的增强子协同工作时，即使它们与目标启动子的距离较远，依然能够通过相互作用来促进基因的表达。具体来说，强增强子能够弥补弱增强子由于距离过远而导致的激活能力下降，从而显著增强基因表达的水平。这一发现表明，增强子之间的协同作用不仅能够弥补单个增强子在远距离上的不足，还能通过整合不同增强子的活性，优化基因表达调控的效果。此外，研究人员还探讨了CTCF位点在增强子调控中的作用。研究表明，加入CTCF位点并没有显著干扰增强子之间的协同作用，但却能够在某些情况下减弱增强子对启动子的激活能力。这一现象表明，CTCF可能在增强子-启动子相互作用中起到一定的制约作用，通过限制增强子与启动子之间的相互作用，从而调控基因的表达水平。尽管CTCF位点的作用存在一定的复杂性，但研究结果仍然为我们理解CTCF在基因调控中的功能提供了新的线索。
综上所述，该研究开发了一个灵活的测试平台，在天然染色质背景下测试不同增强子序列和位置，揭示了哺乳动物基因组中距离依赖的增强子协同作用的关键机制，以及基因组距离对其活性的影响。该研究为我们理解基因表达调控提供了新的视角。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.molcel.2024.11.008
制版人：十一
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