编辑推荐：
转录因子如何精准结合靶位点调控基因表达尚不明确。为解此谜，研究人员以肠道上皮为模型研究 Cdx2。结果发现 Cdx2 通过识别不同基序及响应 DNA 甲基化差异结合靶位点，影响肠道发育和稳态。该研究为理解转录因子调控机制提供依据。
在生命的奇妙旅程中，细胞的分化和组织的发育犹如精密的交响乐，每一个音符都至关重要。转录因子（TFs）作为这场交响乐的指挥家，通过与特定的 DNA 序列结合，引导着基因表达的旋律，从而塑造出各种细胞类型和组织。然而，一个令人困惑的问题是，TFs 如何在基因组中数以百万计的潜在结合位点中，精准地找到并结合那些对特定细胞类型和发育阶段至关重要的目标位点呢？这个问题就像隐藏在黑暗中的宝藏，吸引着无数科研人员去探索。
肠道上皮作为人体消化系统的重要组成部分，其发育和稳态的维持对于身体健康至关重要。在肠道上皮的发育过程中，Cdx2 这个转录因子扮演着举足轻重的角色。它就像一把神奇的钥匙，在胚胎发育阶段，能够打开特定基因的大门，引导肠道上皮细胞的分化和组织的形成；而在成年阶段，它又能维持肠道上皮细胞的正常功能和稳态。然而，Cdx2 是如何在不同的发育阶段，精准地结合到不同的基因组靶位点，进而调控不同的基因表达程序的呢？这成为了研究人员亟待解决的问题。
为了揭开这个神秘的面纱，来自美国南加州大学凯克医学院干细胞生物学与再生医学系（Department of Stem Cell Biology and Regenerative Medicine, Keck School of Medicine, University of Southern California）的 Alireza Lorzadeh、George Ye、Sweta Sharma 和 Unmesh Jadhav 等研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为我们揭示了 Cdx2 结合特异性的分子机制及其在肠道发育和稳态中的重要意义。
研究人员采用了多种先进的技术方法来开展这项研究。在样本获取方面，他们利用不同的小鼠模型，获取了胚胎期（如 E12.5、E16.5）、成年期的肠道上皮细胞，以及肠道隐窝中的 TA 细胞和干细胞 。在分子检测技术上，运用了 CUT&RUN 技术来精确检测转录因子的结合位点；通过全基因组亚硫酸氢盐测序（WGBS）分析 DNA 甲基化水平；借助 RNA 测序（RNAseq）探究基因表达情况等。这些技术的综合运用，为研究提供了有力的工具。
研究结果
- Cdx2 在发育和成年肠道上皮细胞中对靶基因的调控差异：研究人员使用 CUT&RUN 技术，对胚胎期（E12.5、E16.5）和成年分化绒毛细胞中的 Cdx2 结合位点进行了检测。结果发现，Cdx2 在发育和成年细胞中存在大量特异性结合位点。进一步分析表明，在胚胎发育早期（E12.5），Cdx2 更多地结合在基因启动子区域，调控与肠道发育相关的关键基因，如 Sox4 和 Meis1；而在胎儿期（E16.5）和成年细胞中，Cdx2 则主要结合在增强子区域。这表明 Cdx2 在肠道上皮细胞发育过程中，对靶基因的调控模式发生了转变，从以启动子为中心的调控逐渐转变为以增强子为主的调控。
- 发育结合位点上富含 CpG 的 Cdx2 基序的显著存在：研究人员对 Cdx2 的结合基序进行分析，发现富含 CpG 的 Cdx2 基序在发育阶段的结合位点中显著富集，而在成年位点中则没有这种现象。进一步研究发现，在发育阶段，当富含 CpG 的基序中的 CpG 处于甲基化状态时，Cdx2 能够优先结合这些位点；而在成年细胞中，这些位点的 CpG 发生去甲基化，从而阻止了 Cdx2 的异常结合。这表明 Cdx2 对不同基序的敏感性差异，使其能够根据 DNA 甲基化状态，在发育和成年阶段选择性地结合不同的位点。
- Cdx2 通过聚集结合和共招募 Ctcf 和 Hnf4 逐步激活增强子：随着发育的进行，Cdx2 在增强子上的结合逐渐增加。研究发现，Cdx2 在成年细胞中的结合位点更倾向于聚集存在，这种聚集结合促进了成年增强子模式的建立。同时，Cdx2 能够共招募 Ctcf 和 Hnf4a 这两种转录因子。在发育过程中，Cdx2 先结合到特定位点，为 Ctcf 的结合提供了条件，从而建立起成年超级增强子；而 Hnf4a 则主要在成年绒毛细胞中与 Cdx2 共结合，参与维持成年细胞的稳态功能。
- 成年上皮细胞中 PRC2 功能缺失导致 DNA 甲基化和 Cdx2 结合改变：研究人员利用小鼠模型，通过删除 Eed 基因使成年肠道上皮细胞中 PRC2 功能缺失。结果发现，这导致了 DNA 甲基化的改变，许多发育相关的增强子区域重新获得甲基化。这种甲基化的改变使得 Cdx2 重新结合到发育特异性靶位点，激活了相关的发育基因。这表明 DNA 甲基化在调控 Cdx2 结合和基因表达方面起着关键作用，成年细胞中发育相关位点的去甲基化能够防止 Cdx2 的异常结合，而重新甲基化则可以恢复其结合。
- DNA 甲基化的生化调节导致 CDX2 结合改变：为了进一步验证 DNA 甲基化对 Cdx2 结合的影响，研究人员使用 DNA 甲基化抑制剂 GSK-3484862 处理 HCT116 细胞。结果显示，抑制 DNA 甲基化后，Cdx2 在富含 CpG 基序的位点上的结合显著减少；而去除抑制剂后，随着 DNA 甲基化的恢复，Cdx2 又重新结合到这些位点。这直接证明了 Cdx2 的结合受 DNA 甲基化的调控。
研究结论与讨论
这项研究揭示了 Cdx2 在肠道上皮细胞发育和稳态维持过程中，通过识别不同的基序（如富含 CpG 的基序和经典基序），并结合 DNA 甲基化状态的变化，实现对不同基因组靶位点的特异性结合。这种特异性结合调控了发育和成年阶段不同的基因表达程序，从而确保了肠道上皮细胞的正常发育和功能维持。
从进化的角度来看，发育阶段特异性结合的 Cdx2 位点在物种间具有更高的保守性，这暗示了基于 DNA 甲基化的转录因子招募到发育靶点的分子机制可能是保守的。在增强子调控方面，Cdx2 的聚集结合模式以及与 Ctcf 和 Hnf4a 的共招募，为理解增强子的功能和超级增强子的形成提供了新的视角。它表明 Cdx2 可能通过这些机制参与构建基因调控环路，促进干细胞分化过程中稳态基因的快速激活。
此外，研究还发现 DNA 甲基化与转录因子结合之间存在着复杂的相互作用。许多转录因子对 DNA 甲基化具有敏感性，Cdx2 就是其中之一。它在发育阶段结合甲基化的靶位点，随后这些位点发生去甲基化，这种动态变化可能涉及转录因子招募去甲基化酶等过程。同时，研究中还观察到其他染色质特征，如组蛋白修饰等，虽然在某些情况下对 Cdx2 的结合影响较小，但它们与 DNA 甲基化之间的关系仍值得进一步深入研究。
总之，该研究为我们理解转录因子如何在体内精准调控基因表达提供了重要的理论依据，为后续研究肠道上皮细胞的发育、疾病发生机制以及潜在的治疗靶点提供了新的方向。它就像一盏明灯，照亮了我们探索生命奥秘的道路，让我们对细胞分化和组织发育的分子机制有了更深入的认识。
