《Biochemistry and Cell Biology》：Broad-stroke regulation by DNA sequence-specific transcription factors
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序列特异性转录因子（Transcription Factors, TFs）在所有生物体中调控基因表达。TFs的一个既定功能是通过结合靶基因启动子上的特定DNA序列基序来激活或抑制其转录。然而，在后生动物中，累积的证据表明TFs广泛结合到启动子以外的DNA区域、
序列特异性转录因子（Transcription Factors, TFs）在所有生物体中调控基因表达。TFs的一个既定功能是通过结合靶基因启动子上的特定DNA序列基序来激活或抑制其转录。然而，在后生动物中，累积的证据表明TFs广泛结合到启动子以外的DNA区域、在没有同源序列基序的情况下结合、甚至在不直接结合DNA的情况下发挥作用。在此，研究人员审视了支持TFs在有限依赖于DNA序列或在转录起始后步骤（特别是在启动子近端RNA聚合酶Ⅱ（RNA Polymerase II, Pol II）暂停期间）调控转录的发现。研究人员提出，使TFs能够在同源序列基序之外结合的机制——包括辅因子依赖性结合、染色质环境依赖性结合、凝聚体介导的相互作用以及与暂停Pol II复合物的接触——对于协调全基因组范围内的转录至关重要，并讨论了它们潜在的生物学作用。虽然TFs通过读取DNA从根本上调控基因转录，但这一功能超越了以启动子为中心和严格序列依赖性的范式。
论文主体部分内容总结如下：
2. 结合
2.1. 选择结合位点：为动态性而调谐
哺乳动物基因组编码超过一千种已知或预测的转录因子（TFs）。TF单体的DNA识别位点通常过短（仅3-6个核苷酸），难以确保特异性结合，因此TFs依赖与其他分子的相互作用，形成由两个（有时三个）单体基序组成的复合识别位点。只有一小部分序列预测的识别位点在ChIP-seq等数据集中被实验证实为TFs占据。例如，热休克因子HSF1在人类基因组中约有280,000个预测基序，但其占据的位点不足10%。这种高空缺率可能反映了染色质施加的限制。大量未占据的基序使得TF结合模式具有灵活性，允许在不同细胞类型、发育阶段或环境条件下招募不同的位点子集。TF基序的结构既支持功能性调控元件的多样性，也支持TF结合模式的灵活性。将细菌DNA引入真核细胞核可支持从头建立功能性元件，这表明四字母DNA序列无需预先存在的顺式表观遗传线索即可产生扩展的基因组调控景观。然而，控制TF结合的规则仍知之甚少。
2.2. 在位点处：通过分离共存
对全基因组TF结合数据的检查常显示多个TFs共享同一基因组位点，尤其是在启动子处。这些观察结果难以通过多个TFs同时结合来解释。表观上的共占据可能反映了蛋白质-蛋白质相互作用，包括异源二聚化或高阶复合物的形成。此类相互作用可将TFs招募至多个基因组位置，并有助于解释在缺乏同源序列基序情况下观察到的广泛结合。观察到的多TF共占据也可能源于群体水平数据中被掩盖的异质性。快速（秒级）的TF交换与序列特异性因子常见的高解离速率一致。TFs在DNA上的驻留时间范围很广，从几秒到几分钟不等，单个因子在不同基因组位点可能表现出不同的驻留时间，这很可能受辅因子和局部染色质环境影响。TF驻留时间也与相应基因座的转录爆发大小有关。原则上，快速的TF交换可使细胞持续采样某一基因座的不同因子组合，从而实现灵活且稳健的信号转录响应，而较慢的交换则可能导致即使在缺乏外部信号的情况下细胞群内也存在持久差异。
2.3. 同伴压力：无基序的结合
对TF结合位点周围序列的荟萃分析显示同源DNA序列基序富集，但相当一部分TF结合位点通常缺乏明显的基序序列。至少部分看似无基序的结合可能反映了当前基序定义的局限性，和/或核心基序侧翼延伸序列的贡献。这些观察也反映了TFs识别DNA（包括次优序列）的灵活性。例如，TFs共同结合DNA时的亲和力高于单独结合；这种协同性在体外有充分记录。这种协同性不一定需要特定的蛋白质-蛋白质伙伴，可能源于沿DNA紧密物理接近的DNA结合蛋白的内在特性。此外，近期研究表明，细胞中TFs的DNA结合特异性可能在很大程度上由其内在无序区塑造。这种“涌现特异性”模型仍包含DNA序列识别，但强调动态相互作用以定义给定细胞环境中可访问结合位点的层级。TF结合位点在启动子处富集，尽管序列基序相比之下富集程度极低。由于许多启动子仍未被结合，染色质可及性本身不足以实现TF结合，这表明需要辅因子将TF结合引导至远离同源序列的区域。雌激素受体α（ERα）经常占据缺乏可识别的雌激素反应元件（ERE）的基因组位点，其占据由FOXA1或AP-1等伙伴因子指导。HSF1提供了另一个例子：热激后，大部分HSF1结合位点缺乏可辨别的热休克识别元件，表明其通过背景依赖性相互作用被招募。TATA盒结合蛋白（TBP）在启动子处说明了相关原理：它结合于比含有可识别TATA元件的启动子多得多的启动子，在这些“无TATA”启动子上，TBP通过前起始复合物内的蛋白质-蛋白质相互作用被招募，并通过拓扑约束而非特定序列识别定位在DNA上。
3. TF结合的功能后果
3.1. 启动子处的TFs：行动还是巧合
大多数哺乳动物TFs作为激活因子而非抑制因子发挥作用。与激活相比，基于mRNA的数据集中更难检测到抑制。但在快速响应刺激的过程中，抑制可能部分反映了转录机器向激活基因座的重新分布，而非通过序列特异性因子进行的直接抑制。REST是最具特征性的抑制因子之一，但其抑制也是通过招募各种共抑制因子和染色质修饰活性来实现的。来自新生RNA数据的一个令人惊讶的观察是，启动子处的许多TF结合事件对邻近转录没有可检测的影响。这种看似“非功能性”的结合可能反映了对细胞类型和条件特异性辅因子的广泛依赖。或者，“非功能性”结合可能源于纯粹的偶然性TF占据或活性被其他因子抑制。然而，区分偶然性与潜在功能性TF结合仍然具有挑战性。
3.2. 远端元件：维持状态
对活跃转录的高度敏感分析揭示了在远离已知基因或其他调控元件的基因组大部分区域存在广泛的Pol II活性。与启动子相比，增强子数量更多，且在细胞类型和条件间表现出更大的变异性。TF在远端区域的结合会影响邻近转录，这提出了一个可能性：TFs在这些位点的结合可能激活非活性的调控元件（增强子）或播种新的增强子。除了特定序列外，TFs可通过非特异性的生物物理相互作用被招募到DNA上。近期研究强调了相分离凝聚体，它根据组分的生物物理性质改变核内组分（包括TFs、Pol II和染色质调节因子）在局部环境中的分布。因此，任何改变TF局部浓度的机制，无论序列特异性如何，原则上都应有助于TF的重新分布并影响转录。
3.3. 先锋作用：移动，无包袱
发育和疾病中的细胞状态转换涉及染色质的受控重编程。某些TFs即使在与核小体结合的DNA位点上也能与之结合，这种活性被称为先锋作用。值得注意的是，先锋因子可以识别部分或简并基序，表明结合并非完全由严格的基序识别决定。SWI/SNF（BAF）染色质重塑复合物的核小体置换活性通常被认为对先锋作用至关重要。然而，广泛的非生产性全基因组转录表明，转录本身可能有助于染色质可及性的变化。远端区域的转录与附近基因组位点的TF结合相关联，这提高了任何TF结合事件原则上都可以导致先锋作用的可能性。反复或长期暴露于信号或环境应激可能会随时间放大这些效应。持久性TF结合已被提议作为促成转录记忆的一种机制。
4. 全局作用
4.1. Pol II暂停：一个移动的目标
后生动物的Pol II在开始转录后会短暂暂停。这种暂停解释了转录起始位点附近Pol II信号的富集，代表了TFs可能在转录起始后与转录机器相互作用的步骤。多个暂停因子的汇聚引出了一个问题：哪些因子可能作为调控点。负延伸因子（NELF）的水平与Pol II信号密切相关，表明NELF是在起始过程中随Pol II招募或依赖于Pol II招募而被递送至启动子的。暂停释放因子P-TEFb受到包括TFs在内的大量因子调控。虽然P-TEFb本身不表现位点选择性，但人工锚定P-TEFb足以在特定基因座激活转录。许多TFs，包括c-Myc和NF-κB，除了其作为序列特异性调控因子的经典作用外，还可以招募P-TEFb以促进暂停释放。
4.2. 无特异性的调控：更广泛的影响
在经典模型中，特异性是通过序列特异性TF结合直接或间接靶向单个基因实现的。暂停的建立、通过提前终止解决暂停以及生产性暂停释放是顺序性的检查点，每个都可能限制Pol II通过早期转录延伸的进程，从而相对于其他基因优先化特定的基因子集。该模型预测，控制Pol II招募、暂停建立和暂停释放的因子之间的平衡可以改变转录中的限速步骤，从而塑造对信号线索的背景特异性响应。此外，分子凝聚体通过重新分布包括TFs和转录机器在内的蛋白质来影响细胞核。一些TFs已被证明参与调控转录起始后的步骤。CTCF结合和染色质环的形成已被证明影响多腺苷酸化位点的使用。除了其作为TF的典型功能外，MAZ可能促进含有G-rich元件的基因3'端的Pol II终止。缺乏直接的基因座特异性调控作用可能是常态而非例外。基因转录在所有活细胞中根本上依赖于序列特异性识别。多个层次的广泛作用因子各自缺乏内在的基因座选择性，有助于协调数千个基因座的基因活性。
