同济大学Nature发文：DNA引导的转录因子相互作用拓展人类基因调控密码

《Nature》：DNA-guided transcription factor interactions extend human gene regulatory code

编辑推荐：本研究通过高通量CAP-SELEX技术，系统解析了58,000余对转录因子(TF)的DNA介导相互作用，发现2,198对TF-TF复合物（包括1,131个全新复合基序），揭示了发育轴特异性调控的分子机制，解决了“Hox特异性悖论”，为理解细胞命运决定和疾病相关基因调控提供了全局性框架。

　　

在生命科学领域，基因表达的精确调控一直是核心谜题。就像遗传密码由tRNA的解码规则定义一样，转录因子(TF)的DNA结合特异性构成了基因调控的分子基础。然而，人类基因调控密码远比遗传密码复杂——超过1,600种TF通过协同作用调控细胞特异性程序，但大多数TF结合的DNA基序高度相似，这与它们多样的生物学功能形成鲜明矛盾，例如同源域蛋白HOX1-HOX8均识别TAATTA基序却执行不同发育功能，这一现象被称为“Hox特异性悖论”。传统研究难以系统解析TF协同作用的分子机制，限制了人们对发育和疾病中基因调控的理解。

为解决这一挑战，上海同济大学等机构的研究团队在《Nature》发表了突破性研究。通过改进CAP-SELEX（连续亲和纯化系统进化配体技术）为384孔板高通量平台，该团队筛选了58,754对TF组合，首次绘制了人类TF-TF相互作用全景图。研究发现，DNA不仅作为结合模板，更通过介导TF间微小接触面（如HOXB13与TEAD4的DNA依赖型结合）大幅扩展调控词汇量。这些发现揭示了发育过程中位置信息整合的生化基础，例如神经管背腹轴特化依赖bHLH-homeodomain复合基序的精确间距，而肢体发育中GLI-RFX3复合基序通过纤毛相关机制调控Hedgehog信号通路。

关键技术包括：1) 高通量CAP-SELEX筛选TF-TF-DNA三元复合物；2) 基于互信息算法解析TF结合位点的间距/取向偏好；3) 相对亲和力模型识别全新复合基序；4) 转基因小鼠胚胎报告系统验证体内活性；5) AlphaFold 3与RoseTTAFold2NA预测TF-DNA复合物结构。

主要结果：

1. DNA介导的TF互作全景图：发现2,198对相互作用TF，其中1,329对显示特定间距/取向偏好（如HOXB13-MEIS1偏好5bp间隔），1,131对形成全新复合基序（如FOXI1-ELF2基序完全不同于单体结合模式）。

2. 家族特异性互作规律：TEA家族（如TEAD4）互作最广泛，而C2H2锌指蛋白互作较少但存在关键例外（如GLI2-RFX3）。同源异型域蛋白呈现亚类特异性互作，例如HOX2亚类（HOXA2/HOXB2）专一结合PROX1/2，而PITX亚类偏好FOXA/D。

3. 复合基序的生物学特性：89%复合基序的核心区域与单体TF结合偏好显著不同（Jaccard指数<0.5）。这些基序富集于细胞类型特异性染色质开放区域（如胰腺β细胞中bHLH-homeodomain的3bp间距基序），且在哺乳动物中进化保守（81个基序FWER<0.05）。

4. 发育调控的分子机制：

• 先锋因子（如FOXA1）互作呈现“选择性社交”，而缺乏激活域的TF常通过复合物招募激活域（如HOXB2-PROX2）。

• 神经管背腹轴特化依赖特定复合基序组合，如腹侧中脑特异性GLI3-RFX3复合物驱动报告基因在肢芽极化活性区表达。

• 肢体发育增强子ZRS中发现的FOX-ETS复合基序突变可导致肢体畸形。

5. 结构预测的局限性：AlphaFold 3能准确预测预成型二聚体（如MYC-MAX，RMSD 0.428?），但对DNA依赖型复合物（如MEIS1-DLX3）的接触面预测失败，提示当前算法仍需改进。

这项研究将已知的TF-TF互作规模扩展6倍，估计覆盖人类全部互作网络的18-47%。其意义在于：1) 提出“复合基序”作为发育调控的通用语法，通过低亲和力位点组合实现高特异性调控；2) 为疾病相关非编码突变解析提供新框架（如PROX1-HOXA2复合基序在淋巴管发育中的作用）；3) 建立的CAP-SELEX数据集为AI预测基因调控提供关键训练资源。该成果标志着人类在破译“第二遗传密码”道路上迈出决定性一步。