秀丽隐杆线虫发育中嵌套基因诱导宿主基因转录的机制揭示

本研究针对基因组拓扑结构如何影响发育过程中基因表达精度的关键问题，聚焦于秀丽隐杆线虫（C. elegans）中"反向嵌套"基因对的调控机制。研究团队通过CRISPR基因组编辑、单分子荧光原位杂交（smFISH）和单细胞RNA测序技术，首次揭示神经元特异性转录因子ceh-10可诱导其宿主DNA修复基因polq-1的截短转录本在神经元中表达。该发现不仅阐明嵌套基因通过共享顺式/反式调控元件协调宿主基因表达的新范式，还通过全基因组分析证实52%的嵌套基因对存在共表达现象，为理解发育过程中基因表达调控的鲁棒性提供了新视角。成果发表于《iScience》，对解析基因组结构-功能关联及神经系统疾病机制具有重要启示。

　　

在动物发育过程中，基因表达的时空精度对细胞命运决定至关重要。基因组中广泛存在的特殊拓扑结构——反向嵌套基因（即一个基因完全位于另一基因内含子内且转录方向相反），可能因双向转录冲突干扰基因表达精度。以线虫为模型的研究发现，神经发育关键基因ceh-10（编码VSX1/2同源转录因子）嵌套在DNA修复基因polq-1的内含子中，二者在神经元中异常共表达，这一现象背后的调控机制及其发育意义尚未明确。

为解析此问题，法国艾克斯马赛大学（Aix Marseille University） Vincent Bertrand团队结合CRISPR基因组编辑构建启动子/增强子缺失突变体，利用单分子荧光原位杂交（smFISH） 在单细胞水平定量mRNA，并整合胚胎单细胞RNA测序数据集进行全基因组共表达分析。

主要研究结果

1. polq-1在神经元与ceh-10共表达

• 通过双色smFISH在1.5倍胚胎期发现，polq-1除在生殖细胞表达外，还在ceh-10⁺神经元（如CAN、AIY）高表达（图1B-C）

• 单神经元内ceh-10与polq-1mRNA数量显著正相关（CAN神经元R²=0.76，p<0.001）（图1D）

• L4期单细胞转录组证实二者在AIY、CAN、RID神经元持续共表达（图S1C）

2. 神经元中polq-1启动子切换机制

• 巢式转录位点分析：20% CAN神经元位点同时活跃转录ceh-10与polq-1（图2A）

• 外显子探针实验：神经元仅表达缺失5′端的外显子（外显子9-15），表明启动子切换至ceh-10基因内部（图2B）

3. 共表达依赖ceh-10调控元件

• 反式调控：ceh-10激活因子缺失（lin-32突变）导致左侧CAN神经元polq-1表达降低70%（图3A）

• 顺式调控：删除ceh-10增强子（含TTX-3结合位点）使神经元polq-1表达减少65%（图4A）

• 异位激活实验：表皮细胞过表达TTX-3/CEH-10可诱导内源polq-1转录（图3C）

4. 全基因组嵌套基因共表达规律

• 分析567对反向嵌套基因：52%在胚胎发育中存在至少一种细胞类型的共表达（图5A）

• 嵌套基因对平均共表达率（0.50）显著低于相邻基因对（0.65），提示转录干扰抑制（图5B）

• 嵌套基因诱导宿主表达的概率（0.49）显著高于反向（0.18）（p<0.001）

结论与意义

本研究首次揭示嵌套基因可通过共享调控元件诱导宿主基因表达：在神经元中，ceh-10的增强子驱动其自身转录的同时，激活宿主polq-1的内部启动子，产生截短的polq-1mRNA（图4B）。该过程不依赖POLQ-1蛋白功能（突变体无神经元表型缺陷），提示其可能是转录调控的副产物。全基因组分析进一步证实，超过半数嵌套基因对存在细胞类型特异性共表达，且嵌套基因更倾向于作为宿主基因表达的"诱导者"。

研究创新性在于：

1. 阐明嵌套基因对通过顺/反式调控实现共表达的分子机制

2. 揭示发育过程中基因组拓扑结构对基因表达精度的调控作用

3. 为理解人类疾病相关嵌套基因（如癌症中异常内部转录）提供进化视角

局限性在于尚未明确截短polq-1mRNA是否具有非编码功能，以及ceh-10自身反馈回路的影响。未来需进一步探索其他嵌套基因对的调控共性，为基因治疗靶点设计提供新思路。