长程增强子调控基因对调控因子扰动高度敏感：探索基因调控的关键奥秘

为探究远端增强子调控基因的机制，荷兰 Oncode Institute 等机构的研究人员开展相关研究，发现长程增强子控制的基因对调控因子扰动超敏感，这为理解基因调控和相关疾病提供新视角。

　　

基因调控的神秘面纱：长程增强子的关键作用

在微观的基因世界里，基因表达的调控如同一场精密的交响乐，每个音符都至关重要，任何一个小的偏差都可能导致生物体出现异常。细胞类型特异性基因激活由增强子（enhancer）调控，它就像基因的 “开关”，决定着基因何时、何地以及以何种强度开启表达。然而，许多增强子与目标基因启动子之间隔着长长的非编码 DNA 序列，它们如何跨越这段 “鸿沟” 精准调控基因表达，一直是生物学领域的未解之谜。而且，对于远端增强子是否需要特定因子来协调基因调控，科学家们也知之甚少。

为了揭开这些神秘面纱，来自荷兰 Oncode Institute、Hubrecht Institute-KNAW 和 University Medical Center Utrecht 等机构的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在Cell Genomics杂志上，为我们理解基因调控机制带来了新的曙光。

研究方法：多技术联用的科研利器

研究人员采用了多种前沿技术来探索基因调控的奥秘。首先，利用增强子距离控制的报告基因筛选（distance-controlled enhancer reporter screens），以寻找支持长程增强子介导基因激活的反式作用因子。同时，运用 CRISPR 干扰（CRISPRi）技术，对相关因子进行敲低，观察其对基因表达的影响。为了将报告基因的研究结果外推到内源性基因的调控，研究人员借助基于活性 - 接触（activity-by-contact）的 ENCODE rE2G 模型，对基因进行分类。此外，RNA 测序（RNA-seq）、新生 RNA 测序（nascent RNA-seq）和 4C 测序（4C-seq）等技术，帮助研究人员从不同角度解析基因表达的变化和染色质的相互作用。

研究结果

1. 筛选长程增强子介导基因激活的相关因子：研究人员构建了带有不同距离增强子的 K562 细胞系，利用 CRISPRi 筛选技术对 3200 个核蛋白编码基因进行筛选。结果发现，黏连蛋白（cohesin）的四个核心成分（SMC1A、SMC3、RAD21 和 STAG2）对长程增强子激活至关重要，在短程增强子调控中却起到抑制作用。而中介体（mediator）复合物的许多成分对长程调控的报告基因影响更为显著，呈现长程偏向性。通过一系列 CRISPRi 敲低实验，进一步验证了这些因子对不同距离增强子 - 启动子报告基因构型的影响12。
2. 黏连蛋白对远端增强子控制基因的特异性需求：为了深入研究黏连蛋白的作用，研究人员构建了 RAD21 的 AID2 degron 细胞系。急性消耗 RAD21 后，发现内源性 HBB 基因中，远端的 HBG1/HBG2 基因表达下调，近端的 HBE1 基因表达增加，这表明黏连蛋白有助于增强子远距离发挥作用，且不影响增强子的内在活性。利用 E2G 模型对 K562 细胞中的基因进行分类后发现，长程增强子控制的基因在急性 RAD21 消耗后显著下调，且这些基因的增强子通常具有高活性，位于相同的 CTCF 接触结构域（CCD）内34。
3. 远端增强子控制的基因对中介体水平扰动更敏感：在 CRISPRi 筛选中，中介体复合物的亚基被鉴定为对长程基因有偏向性影响。虽然构建的 MED23 degron 细胞系中急性降解 MED23 的效果较小，但分析已发表的 MED14 急性消耗后的 SLAM-seq 数据发现，MED14 的消耗对长程和中程控制的基因有显著影响，而对短程控制的基因影响不明显。这表明由更远端增强子调控的基因对中介体水平的扰动更为敏感5。
4. LDB1 在长程基因调控中的作用：LDB1 是一种在红细胞转录中起重要作用的转录辅因子。研究人员构建了 LDB1 的 FKBP degron 细胞系，发现 LDB1 的缺失对长程控制的基因影响最大，且长程 E - P 对招募的 LDB1 最多。这表明长程增强子控制的基因对 LDB1 缺失更敏感，主要是因为这些增强子招募了更多的 LDB1，且 LDB1 介导的长程基因激活通常依赖于黏连蛋白环挤出6。
5. 长程增强子控制的基因对转录相关因子扰动的敏感性：通过 CRISPRi 敲低实验，研究人员发现除了黏连蛋白和中介体相关因子外，许多与增强子生物学或转录相关的因子，如 WDR5、EP300 和 CBP 等，对长程增强子控制的基因影响显著。这表明长程增强子控制的基因对多种转录相关因子的蛋白质水平扰动高度敏感7。
6. 长程基因对 JQ1 BET 抑制剂的敏感性：JQ1 是一种 BET 溴结构域抑制剂，常用于癌症治疗。研究人员分析已发表的数据集发现，在低剂量 JQ1 处理下，中程和长程控制的基因对其高度敏感。这表明长程基因可能是 JQ1 的优先作用靶点8。

研究结论与意义

这项研究通过多种实验方法，全面解析了基因组距离对增强子介导基因激活的影响。研究发现调控因子以距离依赖的方式影响增强子驱动的基因表达，尤其是黏连蛋白和中介体在长程增强子调控基因表达中起着关键作用。这不仅证实了之前在全基因组范围内的观察，还进一步揭示了增强子与基因之间的复杂调控关系。

研究结果还表明，长程增强子控制的基因对调控因子的扰动异常敏感，这一特性可能与疾病的发生发展密切相关。例如，黏连蛋白相关疾病（如 Cornelia de Lange 综合征）可能与长程增强子的功能异常有关。此外，许多癌症相关基因受长程增强子调控，这为癌症治疗提供了新的潜在靶点和治疗思路。该研究为理解基因调控机制、疾病发生发展以及开发新的治疗策略提供了重要的理论基础，推动了生命科学和健康医学领域的发展。