Science | 靶基因如何限制其增强子的作用范围?基因调控新发现
在哺乳动物基因组中,基因的表达受到启动子(promoter)和增强子(enhancer)等多种调控元件的精确控制。其中,增强子作为关键的调控开关,其最显著的特点是能够跨越非常长的基因组距离来激活其靶基因的转录。目前的普遍观点认为,这种远距离调控是通过染色质在三维空间中的折叠实现的,这种折叠使得增强子与基因启动子得以相互靠近并发生物理接触,而这些互作通常被限制在被称为拓扑关联结构域(Topologically Associated Domains,TADs)的特定基因组区室之内。
然而,一个长期悬而未决的核心科学问题是:增强子与启动子之间的相互作用是否遵循着严格的位置规则?在一个TAD内部,增强子是否能同等地激活任何位置上的启动子,还是说某些特定位置更具优势?换言之,基因组元件的线性排布如何精确地影响基因的表达活性,其背后的功能逻辑仍有待阐明。以往的研究提供了一些线索,但在具有复杂三维结构的原生基因座中,精确的位置如何影响基因的表达强度,很大程度上仍是未解之谜。要回答这一问题,就需要系统性地改变基因与其增强子的相对位置,并对功能的后果进行精确定量。

2025年9月18日,荷兰癌症研究所Bas van Steensel在《science》发表题为“Functional maps of a genomic locus reveal confinement of an enhancer by its target gene”的研究论文。该研究开发了一种创新的高通量“报告基因跳跃”技术,通过在小鼠胚胎干细胞的Sox2基因座内数千个不同位置上随机插入报告基因,绘制出了首张超高分辨率的增强子激活功能图谱。研究发现,Sox2基因本身会强烈地“限制”其远端增强子的作用范围,将其活性牢牢地约束在基因与增强子之间的区域内。一旦Sox2基因被删除,这种限制效应就会被打破,增强子的激活能力会显著增强并扩散至更广阔的基因组区域。进一步的机制研究表明,Sox2基因的编码序列(CDS)在介导这种限制效应中起关键作用,它能帮助基因更有效地与增强子互作,从而在“竞争”中胜出,阻止增强子激活其他启动子。


该研究首先通过其创新开发的“Sleeping Beauty hopping”技术,将一个包含Sox2启动子的报告基因随机插入到Sox2基因座内的数千个不同位点。研究团队采用了基于Tn5转座酶的高通量测序技术,将每个细胞亚群(根据报告基因表达水平通过FACS分选)中的基因组整合位点与表达活性直接关联起来。在Sox2基因所在的1.5兆碱基(Mb)基因组区域内,以前所未有的高分辨率绘制了增强子激活启动子的功能图谱。结果显示,增强子的活性并非在该区域内均匀分布,也不是简单地随距离衰减。研究团队发现了两个明显的活性高峰:一个位于远端增强子(Sox2 control region, SCR)的核心区域,另一个则出现在内源Sox2基因自身的位置附近。研究利用区域捕获Micro-C测序技术(Region-Capture Micro-C,RCMC)分析三维染色质互作频率。

发现这一独特的活性模式与该区域预先存在的三维染色质互作频率高度吻合,即报告基因的活性水平与其所在位置同SCR的染色质互作频率成正比,这表明增强子与启动子之间的物理接触频率是决定其激活强度的关键因素。

该研究最核心的发现是,Sox2基因本身扮演着一个“限制者”的角色,严格地控制着其增强子SCR的作用范围。研究团队通过CRISPR/Cas9技术特异性地敲除内源的Sox2基因后,观测到了戏剧性的变化:Sox2基因的缺失导致整个基因座内的报告基因活性普遍大幅提升,并且增强子的影响范围显著扩大,甚至能激活在正常情况下完全沉默的远端区域。

这一结果有力地证明,内源Sox2基因的存在形成了一种“门控效应”(gating effect),它主动地将增强子的功能限制在一个狭窄的局部范围内,从而阻止了增强子对基因座内其他潜在靶点的“泄露”或滥用。
为了探究其背后的结构基础,研究团队再次运用RCMC测序技术进行分析,发现Sox2基因的缺失确实引起了染色质三维结构的重塑。这个染色质构象分析结果表明,Sox2的缺失导致SCR的接触范围向上游区域扩散,这部分解释了其激活范围的扩大。

为了探究Sox2基因实现自我限制的分子机制,研究团队对基因的不同组成部分进行了系统性剖析。他们发现,Sox2基因的启动子本身并不足以解释其强大的限制能力。其竞争优势的关键其实在于基因的内部。研究表明,仅在报告基因中加入约1 kb的Sox2的CDS,就能显著提升其表达活性,并使其有能力与内源的Sox2基因进行竞争,从而导致内源Sox2的表达水平下降。

进一步的结构改造实验发现,CDS的这种增强效应与其转录方向、是否被翻译或在转录本中的位置无关,这表明CDS本身可能包含一个内在的、类似增强子或促进子(facilitator)的调控元件。
RCMC分析也初步证实,含有CDS的报告基因与SCR的接触频率有小幅增加,这可能部分解释了其增强效应。该元件的存在,使得天然Sox2基因能够更有效地与增强子SCR互作,从而在这场调控资源的竞争中占据主导地位。
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