芳烃受体非经典DNA调控元件的功能基因组学分析揭示其生理病理意义

《Toxicological Sciences》：Functional genomic analysis of non-canonical DNA regulatory elements of the aryl hydrocarbon receptor

本研究针对芳烃受体(AHR)通过非共识响应元件(NC-XRE)调控基因表达的机制尚不明确的问题，通过整合ChIP-seq和RNA-seq技术，首次在基因组层面证实了AHR通过NC-XRE直接调控靶基因转录。研究发现82%的AHR结合区域含有NC-XRE motif，并在Serpine1基因启动子区通过CRISPR-Cas9实验验证了NC-XRE对TCDD诱导表达的必需性。该研究为理解AHR非经典信号通路的生理功能提供了直接证据。

　　

当我们暴露于二手烟、化石燃料燃烧产物等环境污染物时，体内一种名为芳烃受体(Aryl Hydrocarbon Receptor, AHR)的转录因子会被激活。传统认知中，AHR需要与芳香烃受体核转位蛋白(ARNT)形成二聚体，结合到经典的异生响应元件(Xenobiotic Response Element, XRE)上调控基因表达。然而近年研究发现，AHR还能通过结合非经典响应元件(Non-Consensus XRE, NC-XRE)来调控基因，但这种非经典途径的基因组分布规律和功能意义一直缺乏系统研究。

为了解开这个谜题，研究人员开展了一项创新性研究。他们通过对TCDD(2,3,7,8-四氯二苯并-p-二噁英)处理的小鼠肝脏进行功能基因组学分析，首次在天然基因组环境下证实了AHR通过NC-XRE直接调控靶基因表达的分子机制。这项发表在《Toxicological Sciences》上的研究，不仅深化了我们对AHR信号通路的理解，还为环境毒物致病机制提供了新的视角。

研究人员主要运用了染色质免疫沉淀测序(ChIP-seq)和RNA测序(RNA-seq)技术对小鼠肝脏样本进行分析，通过CRISPR-Cas9基因编辑技术验证特定基因功能，采用生物信息学方法进行motif富集分析和基因组区域注释，并利用CistromeDB工具包进行转录因子共定位分析。

频率和分布 of 非经典 AHR 结合 motif

研究人员分析了TCDD处理后小鼠肝脏的AHR ChIP-seq数据，发现NC-XRE motif在AHR结合区域显著富集。82%的AHR峰值区域含有至少一个NC-XRE motif，且这种富集模式在雄性和雌性小鼠中高度一致。值得注意的是，大多数AHR结合位点(雄性51.72%，雌性53.96%)同时含有XRE和NC-XRE motif，表明两种元件的协同作用可能普遍存在。

重复 NC-XRE motif 与 AHR ChIP 峰相关

研究团队发现，串联重复的NC-XRE motif对AHR功能具有特殊意义。当分析至少5个NC-XRE motif且间距不超过50bp的簇时，发现这类簇主要分布在基因启动子区(71%)和增强子区(27.8%)。与含有类似XRE簇的靶基因相比，含有5个NC-XRE motif的AHR靶基因数量增加了9倍，提示高密度NC-XRE簇可能增强AHR的转录调控能力。

假定的 AHR-NC-XRE 靶基因和通路

通过整合ChIP-seq和RNA-seq数据，研究人员鉴定出28个与5x NC-XRE簇相关的AHR靶基因，其中22个在TCDD处理后显著上调。通路富集分析显示这些基因参与胚胎发育、形态发生、氧反应和酶活性等生物学过程，提示AHR可能通过NC-XRE调控多种生理功能。

假定的通过 NC-XRE motif 调控的转录因子

通过多种互补分析方法，研究揭示了AHR在NC-XRE位点可能与其他转录因子形成复合物。这些因子包括昼夜节律核心调控因子BMAL1/CLOCK、TGF-β信号通路中的SMAD3/TGIF1，以及EP300、E2F等表观遗传调控因子。特别值得注意的是，ARNT在NC-XRE富集区域并未显示共定位，暗示AHR在非经典通路中可能独立于ARNT发挥作用。

在天然基因组背景下测试 NC-XRE 功能

为了直接验证NC-XRE的功能，研究人员选择了已知的AHR靶基因Serpine1作为模型。该基因启动子区含有5个连续的NC-XRE motif。通过CRISPR-Cas9技术特异性删除这些motif后，TCDD诱导的Serpine1表达上调显著降低约50%，而经典AHR靶基因Cyp1a1的表达不受影响，证明NC-XRE对Serpine1的调控具有特异性。

本研究首次在基因组层面系统阐明了AHR通过NC-XRE调控基因表达的普遍性和功能性。研究发现不仅证实了非经典DNA结合模式在AHR信号传导中的重要性，还揭示了AHR可能通过与其他转录因子协同作用，整合环境信号与发育、代谢等核心生理过程。这些发现为理解环境污染物毒性机制提供了新的分子基础，也为干预AHR相关疾病提供了潜在靶点。尽管研究存在一定局限性，如转录因子共定位证据间接、人类NC-XRE功能尚未验证等，但其开创性的研究范式为后续探索非经典转录调控机制奠定了重要基础。