7月12日，中國科學(xué)院生物物理研究所薛愿超團隊在《自然》（Nature）上，在線發(fā)表了題為Complementary Alu sequences mediate enhancer-promoter selectivity的研究論文。

轉(zhuǎn)錄調(diào)控在維持細胞功能和正常發(fā)育過程中起著關(guān)鍵作用。其中，增強子（enhancer）作為調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的重要元件，往往需要通過遠距離染色質(zhì)環(huán)化與目標啟動子（promoter）相互作用，從而決定基因的時空表達特異性。這一過程參與細胞命運的決定，并在多種疾病的發(fā)生發(fā)展中扮演著重要角色。增強子能夠精確地選擇需要激活的目標啟動子，以準確調(diào)節(jié)特定基因的轉(zhuǎn)錄時間和轉(zhuǎn)錄水平。然而，增強子和啟動子配對選擇的特異性是如何實現(xiàn)的依然是未解之謎。

為了解決這一關(guān)鍵科學(xué)問題，薛愿超團隊利用實驗室此前開發(fā)的RNA原位構(gòu)象測序技術(shù)RIC-seq，系統(tǒng)捕獲了增強子RNA（eRNA）和啟動子來源的非編碼RNA（uaRNA或PROMPTs）之間的相互作用，并構(gòu)建了高分辨率增強子-啟動子RNA互作（EPRI）圖譜。與傳統(tǒng)的染色質(zhì)構(gòu)象捕獲技術(shù)如Hi-C、HiChIP、ChIA-PET等不同，RIC-seq技術(shù)可直接鑒定增強子和啟動子非編碼RNA之間的空間互作位點，并據(jù)此推導(dǎo)增強子-啟動子的鏈接網(wǎng)絡(luò)，因此在解析增強子-啟動子互作的序列特征方面具有更高的分辨率。

基于EPRI圖譜，該研究發(fā)現(xiàn)增強子與啟動子之間的配對選擇特異性受到基因組重復(fù)序列Alu的調(diào)控。Alu序列是哺乳動物尤其是人類基因組中廣泛分布的重復(fù)元件。研究發(fā)現(xiàn)，增強子和啟動子RNA中的Alu序列充當了增強子-啟動子之間相互交流的中介，并通過多種實驗證明增強子RNA和啟動子RNA中反向互補的Alu序列可通過堿基配對形成RNA雙鏈，從而決定增強子-啟動子的配對選擇特異性。這揭示了Alu在基因表達調(diào)控中的新機制，并為探究增強子和啟動子非編碼RNA在轉(zhuǎn)錄激活的功能提供了新視角。

此外，研究人員通過將非編碼區(qū)突變映射到增強子-啟動子RNA互作（EPRI）圖譜，構(gòu)建了"突變-功能"圖譜，系統(tǒng)地注釋了非編碼突變（尤其是Alu元件的刪除和插入）影響的靶標基因，為探究疾病發(fā)生提供了寶貴資源。研究進一步發(fā)現(xiàn)，位于Alu元件中的突變可能會影響眾多蛋白質(zhì)編碼基因的轉(zhuǎn)錄，從而對細胞命運產(chǎn)生重要影響。例如，癌基因PTK2增強子中的多態(tài)性Alu元件刪除能夠顯著降低癌細胞增殖和侵襲能力，這為Alu元件突變與癌癥易感性之間的關(guān)聯(lián)提供了重要線索。

該研究從非編碼RNA的角度上揭示了增強子-啟動子配對選擇特異性的原則，并將非編碼風(fēng)險變異與其分子功能聯(lián)系起來，為探索基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的分子機制以及疾病發(fā)生發(fā)展提供了新范式。

研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委員會、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項和王寬誠教育基金等的支持。生物物理所生物成像平臺和實驗動物平臺也為該工作提供了技術(shù)支持。

論文鏈接

"增強子-啟動子互作圖譜"以及"突變-功能圖譜"構(gòu)建