Mol Cell | 赵永兵等发现“Stripe”转录因子帮助其它转录因子结合到DNA上并保持基因组调控区域染色质的开放性

目前赵永兵老师已在中科院广州健康院成立研究团队，正在招聘人才，具体见生信宝典头条。 在哺乳动物细胞中，转录因子（transcription factors，TFs）以合作的方式结合到基因组的顺式调节元件（或调控区域，cis-regulatory elements）上形成增强子（enhancers），并根据生长、发育以及环境的需要来调控基因的时空表达。人类基因组编码超过1600种不同的转录因子，而每一个调控区域通常包含多个转录因子结合位点 (TF binding sites)，因此解码转录因子结合到基因组调控区域的过程对于阐明基因转录调控的机制非常关键。

2022年7月20日，美国国立卫生研究院（National Institutes of Health, NIH）Rafael Casellas资深研究员领导合作团队在Molecular Cell上发表题为“Stripe” transcription factors provide accessibility to co-binding partners in mammalian genomes的研究论文。美国国立卫生研究院的赵永兵博士（第一作者）和Rafael Casellas资深研究员为该论文共同通讯作者。该论文报道了在哺乳动物基因组中存在一类被命名为“Stripe”转录因子（stripe transcription factors）的基因，它们会帮助其它转录因子结合到同一个调控区域上，并维持基因组调控区域的开放性(chromatin accessibility)。

该研究通过从公共数据库中收集以及实验室构建文库、测序的方式，获取了来自人和小鼠近500种不同组织和细胞的多组学数据，并对其作了系统的生物信息学分析。作者基于ATAC-Seq, RNA-Seq 以及转录因子结合位点的position weight matrix (PWM)数据，分析了任意两个转录因子共定位于同一个调控区域的频率，构建了转录因子共定位热图（TF colocalization map），进而发现一些转录因子可以与大多数其它转录因子共定位于同一调控区域。由于这些转录因子在热图上呈现出竖状条纹，作者因此将其命名为“Stripe”转录因子（stripe transcription factors）。作者接着对多个细胞系中1000多个转录因子的ChIP-Seq 数据进行类似的生物信息学分析，同样发现了“Stripe”转录因子的存在，从而进一步验证这一发现。整体而言，这些“Stripe”转录因子可分为两类：第一类转录因子的表达具有组织和细胞特异性；第二类包含大约30种转录因子，它们存在于所有的人和小鼠组织和细胞中，作者将这一类“Stripe”转录因子命名为Universal Stripe Factors，简称USF。有趣的是，USF的DNA结合位点特征（DNA binding motif）非常相似，而且富含鸟嘌呤（Guanine）。

小鼠B淋巴细胞的转录因子共定位热图。

为了探索USF的功能，作者利用CRISPR技术对不同的USF进行了单基因敲除和不同组合基因敲除。整体上，被敲除的USF基因数量越多，染色质开放性（chromatin accessibility）显著受影响的调控区域越多，但是多数调控区域受影响程度小于两倍。考虑到USF的DNA结合位点高度重合，如果敲除部分USF，其它的USF可能会存在补偿效应。以往的研究表明，Mithramycin类似物可以与染色质关联蛋白竞争结合富含鸟嘌呤的DNA区域，作者在使用该药物处理小鼠B淋巴细胞后，发现绝大多数调控区域的开放性都显著降低；与对Mithramycin敏感的调控区域相比，对Mithramycin不敏感的调控区域更加富含USF结合位点。此外，基于ChIP- Seq数据分析发现，USF在对Mithramycin不敏感的调控区域结合更强，而其它转录因子在对药物敏感和不敏感的调控区域之间没有区别。作者由此证实USF的结合与调控区域的开放性有关，而且不同的USF在这方面功能上存在一定程度补偿效应。

由于调控区域的USF结合位点高度重叠，作者推测重叠区域的单核苷酸多态（SNP）可能会同时影响多个USF的DNA结合位点。那么SNP导致的USF结合缺失会如何影响调控区域的开放性以及其它转录因子在该调控区域的结合能力呢？为了回答这一问题，作者通过杂交不同遗传背景的小鼠得到子一代，比较分析子一代小鼠B淋巴细胞中两条不同来源染色质上的调控区域的开放性（基于ATAC-Seq）以及USF和其它非“Stripe”转录因子的结合DNA的情况（基于ChIP-Seq）。作者发现，与非“Stripe”转录因子相比，SNP导致的USF结合缺失对所在调控区域的开放性有更大的影响，而且USF结合缺失还会导致在同一调控区域的其它转录因子结合能力下降。为了进一步探索USF结合缺失如何影响其它转录因子的DNA结合，作者利用单分子追踪成像技术（Single-Molecule Tracking）实时检测其它转录因子结合DNA的动态。结果显示，相对于野生型细胞（wild type），在部分USF缺失的细胞中，非“Stripe”转录因子在DNA上的停留时间（residence time）变短，其中停留时间长的部分受到的影响更为明显。

综上所述，该研究通过综合分析不同转录因子在基因组调控区域共定位热图发现了 “Stripe”转录因子，并通过一系列功能验证实验，阐明“Stripe”转录因子可以帮助其它转录因子结合到同一调控区域，并维持调控区域的开放性。该研究不仅加深了人们对转录调控机制的了解，还对探索基因组调控区域的遗传变异所导致疾病的机制的研究提供了重要帮助。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.molcel.2022.06.029

制版人：十一 来源：BioArt