【Mol Cell】解析顺式调控密码（五）：从调控连接到调控环境

从调控连接到调控环境 到目前为止，我们的关注点在于单个的增强子-启动子关系，但在基因组中，许多基因有多个同时活跃的增强子和附近的启动子，它们可以彼此合作或竞争。此外，什么构成了一个单独的增强子而不是更大增强子的一部分？虽然短序列（甚至小于200bp）可以表现出报告基因活性，与增强子相关的组蛋白标记可以延伸1kb或更长。同样，如上所述，启动子包含核心启动子和类似UAS的近端调控序列。进一步放大观察，这些增强子和启动子在更广阔的基因组环境中发挥功能，具有在核层、核仁或核斑点的3D定位。 交互模式的多样性 解读这种复杂性的一个常用操作框架是上位性。上位性被定义为偏离独立性的零期望，即，扰动一个增强子应该具有相同的效果，无论是是否存在其他顺式调控元素。当一对增强子中只有一个的丧失对转录输出影响很小时，就会发生冗余，因为每个增强子都能提供大部分的转录输出，而它们的联合丧失会大幅度降低转录。相反，当所有这样的增强子都需要达到全量输出，而每个单独的增强子自身的活动力显著下降时，就会发生协同作用。然而，上位性的操作定义存在歧义——期望应是加性还是乘性？在什么尺度上（例如，等位基因特异表达vs总表达）？这个定义也专注于一个单一的细胞环境——但同一对发育增强子可能在不同的细胞类型中以不同的方式互动（图3）。

对增强子、增强子的部分和启动子之间的交互的许多研究基本上未能找到通用规则。具有相似组织特异性活性并调控同一启动子的增强子是后生动物基因组的一个普遍特性。这些所谓的"阴影增强子"被认为在很大程度上是冗余的。然而，阴影增强子经常在进化上被保存，这暗示除了通过缓冲遗传变异的后果来促进顺式调控进化外，它们的重叠活性还有重要功能。可能性包括缓冲压力条件或转录噪音，或产生更精确的表达模式。值得注意的是，这些更清晰的表达模式可以涉及到个别增强子激活转录但阴影增强子并未一起激活的区域，这是由于抑制活性。此外，增强子冗余的普遍性仍在争论中；一项近期的增强子上位性研究发现，加性和协同作用而不是普遍的冗余。

密集的增强子群体或簇在DNA的几十千基对内，这些被称为超级增强子，伸展增强子或增强子簇，引起了特别的关注，即使一些研究对这种区分提出了质疑。这些簇通常由H3K27ac、Mediator结合或染色质在扩展的基因组窗口内的可及性的高水平定义，被推测具有区别于"典型"增强子的独特性质，如常见的3D交互，它们在和转录机制的相互作用中特别有力。然而，这是否意味着冗余或协同作用还不清楚，两者都被观察到，以及加性。 在基因组环境中，启动子如何互相交互？它们是否为增强子竞争，或者单个增强子能同时激活多个启动子？或者，启动子是否为其他启动子的远程增强子？所有这些情况都已被观察到，表明没有单一的规则适用于启动子交互，但仍不清楚每种条件何时何地适用。这些条件并不必须是相互排斥的——例如，即使增强子可以同时激活多个启动子，它可能会更强烈地激活单个启动子（从而展示出竞争性）。

解释上位性互作的机制 （备注："上位性"或者"上位效应"是遗传学中的一个术语，指的是一个基因对另一个基因表现型的影响。当一个基因的效应覆盖或者改变另一个基因的效应时，我们就说这个基因对另一个基因具有上位性。在日常用语中，这可以类比为一种“主导”或“压制”关系，其中一个因素的影响压倒或者改变了其他因素的影响。）

尽管解读上位性互作有一些需要注意的问题，上位性反映了多步生物通路，并能帮助提出机制。例如，一个普遍的观察是，在增强子和增强子簇中，往往只有一小部分或子集驱动着大部分的转录，以至于许多区域在单独丧失或对自主增强子活性不足的情况下，看起来是不必要的，尽管与其他增强子的组合丧失具有可衡量的效果。这常常被用来援引增强子的不同类别或层次，包括主导的与支持的位点，或者在转录因子动机或染色质状态特性上有差异的“放大器”增强子。

鉴于观察到的上位性互作的多样性，是否有一个统一的机械解释？一个可能的普遍原则是，不同类别的增强子可能招募不同的CoAs，这些CoAs调节转录过程的不同步骤，例如RNA Pol II的招募与磷酸化。因此，只调节内源环境中非限制步骤的增强子在单独丧失时可能表型很小，但当这些步骤变得有限时可能变得更重要。生化多样性也可能构成启动子互作的基础，例如，竞争的启动子可能受到相同CoA的限制。 物理接触也能中介增强子上位性，但关系复杂。被招募到一个增强子的转录因子和CoAs可以传播到空间接近的其他增强子；这种传播可能使得更“主导”的增强子进一步激活附近的支持增强子。一项最近的研究提出，非常远程的增强子和很少接触的增强子可能能缓冲彼此的丧失。然而，形成3D枢纽的增强子，包括超级增强子，也被提议种植凝聚物或枢纽，这些凝聚物或枢纽提供了对细胞类型标识基因的稳健转录。

染色体组织的影响 除了相邻增强子和启动子之间的特定交互作用外，绝缘子和锚定元素的功能，以及核内领域的更广泛组织，也可以影响转录。 绝缘子元素通常是转录因子CTCF的结合位点，它可以形成环状挤出的定向障碍，以隔离相邻的TAD或环域。强边界元素由转录因子结合位点群组成。这些边界可以通过阻止异染色质的扩散，影响整个领域的转录。此外，通过环状挤出塑造转录的过程，可以增加在同一TAD内的远端增强子和启动子之间的接触，尤其对于具有附近CTCF位点的启动子，或者通过促进多环结构的形成，增加整个领域的接触。除了绝缘元素外，最近描述的“锚定元素”不仅可以独立于CTCF和环状挤出链接特定的增强子和启动子，而且还可以促进时间协调的转录。 再往外看，染色体被组织成两种主要类型的“隔室”——A隔室倾向于富集活跃的基因，而B隔室倾向于包含沉默的异染色质（每种都可以进一步细分）。这些隔室倾向于在自身类型内自关联。隔室级别的组织倾向在各种细胞类型中大致相似，但随着染色质状态的变化，边界位置有所偏移，这表明它是由染色质状态、转录和环状挤出塑造的紧急属性。某些沉默区域倾向于定位在核周边，而活跃转录的基因集群与富含剪接因子的核斑点相关。虽然这些关联的因果关系难以解开，但将基因组区域定位到核体的实验已经证明了核环境可以影响转录。单个元素受到领域级别效应的影响与塑造领域组织之间的相互作用尚不清楚，但重要的是要注意，这些领域可以是不均一的和动态的。 展望 解读顺式调控代码是一项巨大的挑战。与遗传代码不同，遗传代码具有满意的、通用的、模块化的、确定的解决方案，而顺式调控代码是具有特定上下文的、复杂的、组合的，且充满了冗余和定量效应。它包括几个相互依赖的层次，从转录因子结合DNA开始，到转录因子在顺式调控元素上与其他因子和辅助因子的相互作用，到复杂的调控领域和景观。最终，理解顺式调控将需要理解参与转录的数千种蛋白质——占据了蛋白质组的大部分——如何与基因组的大部分相互作用。如同Sydney Brenner对解码胚胎发育如何在基因组中编码的挑战所说，“难的将是必须概括的大量细节”。 然而，我们快速发展的工具正在以前所未有的规模和分辨率启用实验和解读。一个完整的细胞类型目录和它们的转录剖面已经触手可及，其他表观基因组特征将随之而来。我们可以在报告者分析中测试数十到数百万个顺式调控元素或转录调控器。即使是一些参与转录的最大的蛋白质复合体现在也可以被结构解析，从而提供无与伦比的机制洞察。新颖的深度学习方法正在检测基因组数据中以前未见过的模式。高通量超分辨率染色质追踪和调控元件及转录本的实时成像新工具，提供了一个窥视单细胞和单等位基因水平的转录底层基因组拓扑结构和动力学的机会。我们的主要剩余挑战是(1) 用改进的技术补充我们目前可扩展的核酸测定，以高分辨率和高通量测量蛋白质的水平、定位和动态，(2) 将我们的多尺度测量目录整合到一个定量和机械的（可解释的）模型中，说明在这里讨论的每个调控级别上的转录是如何工作的，和(3) 准确地从DNA序列预测在定义的蛋白质浓度下的基因表达模式。通过解决这些挑战，我们可能最终接近一个完整的顺式调控代码，并能够在进化、发育和疾病的背景下方便地解读非编码基因组序列。

文章来源：doi.org/10.1016/j.molcel.2022.12.032