基因组远程调控新机制：REX元件介导增强子远距离激活的分子基础

本研究揭示了哺乳动物发育过程中增强子远程激活基因表达的关键机制。研究人员通过在小鼠Shh基因座的增强子替换实验，发现短/中程肢体增强子无法实现远程调控，并鉴定出一个名为REX的顺式作用元件，该元件通过保守的[C/T]AATTA同源异型域（HD）基序赋予增强子远程激活能力。研究首次将增强子的空间特异性与远程活性区分为两个独立功能模块，为理解发育异常和癌症等疾病的基因调控紊乱提供了新视角。

　　

在哺乳动物基因组中，增强子如何跨越数十万碱基的距离精确调控靶基因表达，一直是发育生物学领域的核心谜题。虽然已知拓扑关联域（TAD）等染色质高级结构可以限制增强子-启动子（E-P）的相互作用范围，但某些增强子却能突破这种限制，在兆碱基尺度上发挥作用。这种远程调控的异常会导致肢体发育缺陷等多种疾病，然而其分子机制始终未明。

美国加州大学欧文分校的Grace Bower、Evgeny Z. Kvon团队与劳伦斯伯克利国家实验室合作，在《Nature》发表重要研究成果。研究团队以小鼠肢体发育关键基因Shh为模型，其表达受848 kb外的ZRS增强子调控。通过系统性的增强子替换实验，首次发现常规肢体增强子无法替代ZRS的远程调控功能，进而鉴定出全新的REX（range extender）调控元件。该元件通过保守的[C/T]AATTA同源异型域（HD）基序，使增强子获得"超距作用"能力，最远可将增强子作用范围提升10倍以上。

研究采用多项关键技术：1）增强子替换的基因敲入（KI）小鼠模型构建；2）单细胞多组学（scATAC-seq/scRNA-seq）分析E11.5小鼠肢芽细胞的染色质开放性和基因表达；3）等位基因特异性ATAC-seq验证移植增强子的可及性；4）双荧光报告系统（dual-enSERT）定量比较增强子活性；5）全基因组[C/T]AATTA基序分析。

<增强子替换揭示远程调控缺陷>
研究人员选取四个经验证的肢体增强子（HS72、MM1564、HS1516、MM1492），其内源作用距离从73 kb到411 kb不等。通过CRISPR-Cas9将其替换Shh基因座的ZRS增强子后，所有KI小鼠均出现肢体截短表型，与完全缺失SHH功能的表型一致。值得注意的是，这些增强子在转基因报告中能驱动强效肢体表达，但在内源位点却无法激活848 kb外的Shh启动子。

在HS72增强子侧翼发现高度保守的REX元件，其本身无经典增强子活性。将REX与最短程的MM1492增强子（73 kb）融合后，嵌合体成功激活Shh表达并挽救肢体发育。最引人注目的是，REX使MM1492的作用距离提升11.6倍（73 kb→848 kb），证明其具有独立扩展增强子作用范围的非凡能力。

REX元件包含两个保守的[C/T]AATTA基序，与LHX2/9等同源异型域转录因子结合。突变这些基序会选择性消除远程活性，但不影响增强子本身的组织特异性。全基因组分析显示，含多个[C/T]AATTA基序的增强子平均比单基序增强子远429 kb（P<0.01），且该特征在ZRS等经典远程增强子中高度保守。

通过双荧光报告系统发现，突变ZRS内三个[C/T]AATTA基序仅降低约30%表达强度（P=0.0182），但完全丧失远程激活能力。这种"功能分离"现象证明增强子的空间特异性（由ETS等基序决定）与远程活性（由HD基序介导）是独立调控模块。引人注目的是，添加外源REX元件可部分挽救ZRS^AHD突变体的肢体表型。

这项研究确立了远程基因调控的新范式：REX元件及其[C/T]AATTA基序构成"基因组通信中继站"，可能通过招募LHX等转录因子形成特殊的染色质互作枢纽。该发现不仅解释了为何某些增强子能突破TAD限制，更为解读人类疾病中非编码突变的致病机制提供了分子框架——某些变异可能仅破坏远程调控而保持增强子活性不变。未来研究将探索REX元件在不同基因组位点和发育阶段的普适性，以及LHX家族蛋白在三维基因组架构中的具体作用机制。