双功能增强子-衰减子元件调控小鼠后体形成中Cdx2基因的瞬时表达

本研究揭示了在小鼠后体形成过程中，Cdx2基因的瞬时表达受双功能顺式调控元件（CRE）精确调控的分子机制。通过CRISPR基因编辑结合体外分化模型，研究人员发现内含子区域同时包含增强子（P1）和衰减子（P2）功能模块，其中P2通过核受体RARB基序介导基因沉默。单碱基编辑实验证实RARB→RXRG突变可将衰减子转化为增强子，该发现在转基因小鼠模型中验证了其对体轴发育的关键调控作用。这项研究为发育过程中时空特异性基因调控提供了新范式。

　　

在脊椎动物胚胎发育过程中，体轴后部结构的精确形成需要严格的时空基因调控。转录因子Cdx2作为关键调控因子，其表达动态异常会导致严重的体轴发育缺陷。虽然已知WNT和视黄酸（RA）信号通路调控Cdx2表达，但如何通过顺式调控元件（CRE）整合这些信号实现Cdx2的瞬时表达仍属未知。这一科学问题的解答对理解发育调控的分子机制具有重要意义。

来自MRC Laboratory of Medical Sciences和Imperial College London的研究团队通过系统性研究，在《Developmental Cell》发表了突破性发现。研究采用多学科技术手段，包括：①建立小鼠胚胎干细胞（mESC）体外分化模型模拟后体发育过程；②CRISPR-Cas9介导的顺式调控元件定向删除；③染色质可及性（ATAC-seq）和转录因子结合（ChIP-seq）的全基因组分析；④流式细胞术定量单细胞蛋白表达；⑤转基因小鼠模型验证等。

研究结果首先通过染色质景观分析揭示了关键调控元件。研究人员发现：

1. 内含子增强子不可或缺
   通过删除11kb调控区内不同CRE，证实内含子1区域（Intron1）对Cdx2在尾侧外胚层样细胞（CEpiL）中的起始表达至关重要。删除该区域（ΔIntron1）导致Cdx2完全无法激活，而删除其他元件（如5'或肠道增强子lee）影响较小。

2. 5'元件维持瞬时表达
   在脊髓（SC）和体节前中胚层（PSM）条件下，5'元件缺失（Δ5'）导致Cdx2提前下调。有趣的是，该元件被CDX2自身结合，暗示正反馈调控机制。

3. 双功能元件的对立调控
   精细定位发现Intron1包含功能相反的亚区：P1（增强子）富含RXRG和SOX/LEF结合位点，而P2（衰减子）含RARB基序。删除P2（ΔP2）导致SC前体细胞中Cdx2表达延长，证实其"分子刹车"功能。

4. 核受体基序决定元件功能
   通过AlphaFold预测发现RARB/RXRG均可与SOX2/LEF1互作。将P2的RARB基序替换为RXRG（RAswitch突变）后，该元件转变为增强子，导致CEpiL中Cdx2过表达且SC阶段持续激活。

5. 体内验证发育重要性
   在E9.5小鼠胚胎中，P2-RARB突变体显示CDX2表达区向头端扩展，体节边界（HOXB4标记）异常，重现了Cdx2过表达的表型，证实衰减子在体轴模式形成中的关键作用。

这项研究建立了顺式调控的新范式：单个基因组元件可通过不同转录因子组合实现增强或抑制的双重功能。发现具有三大重要意义：①揭示发育信号整合的精确机制，证明核受体基序的组成决定CRE功能输出；②为其他发育基因的瞬时表达调控提供参考模型；③对理解体轴发育异常疾病的病因具有启示作用。通过证明单碱基变化可逆转元件功能，该研究也为基因调控网络的进化研究提供了新视角。