多宝体育【科技电子前沿】Nature 薛愿超团队揭示基因组重复元件Alu调控转录新机制

2023-07-14 17:12:35

　　人类基因组含有大量的重复序列和转录调控元件，而重复序列过去常被认为是“无用”DNA（junk DNA）。增强子（enhancer）作为调控基因转录的关键元件，往往需要通过远距离染色质环化与目标启动子（promoter）相互作用，从而决定基因的时空表达特异性【1, 2】。人类基因组中含有数十万个增强子和数万个启动子，增强子如何精确地找到需要激活的目标启动子以及它们之间的配对选择特异性是如何实现的一直是分子生物学领域的未解之谜。

　　此外，人类基因组大规模测序和关联研究表明约90%与疾病相关的突变位于增强子和启动子等非编码区域，剖析这些风险变异的分子功能已逐渐成为分子生物学领域的重要挑战。考虑到增强子和启动子区都可双向转录产生非编码RNA（eRNA，uaRNA或PROMPTs），因此，从RNA-RNA互作的角度出发，解析增强子-启动子RNA的相互作用网络将有助于系统地注释这些非编码突变的分子功能。

　　2023年7月12日，来自中国科学院生物物理研究所的薛愿超团队在Nature杂志在线发表题为Complementary Alu sequences mediate enhancer-promoter selectivity 的文章。该研究基于RIC-seq技术【3, 4】系统构建了涵盖7种人源细胞系的增强子-启动子RNA互作（EPRI）图谱（图1），并首次揭示了基因组重复元件Alu序列在增强子-启动子配对选择特异性中的关键作用，为深入理解基因转录调控的分子机制提供了新见解。此外，该研多宝体育究团队还对535,404个非编码突变进行了系统地注释，构建了“突变-功能”图谱多宝体育，为精准医学和疾病研究提供了重要资源。

　　薛愿超研究团队利用实验室2020年开发的RNA原位构象测序技术RIC-seq【3, 4】，系统捕获了增强子RNA和启动子来源的非编码RNA之间的相互作用，并构建了高分辨率增强子-启动子RNA互作图谱，共涵盖了7种人源细胞系中178,434个高可信的增强子-启动子互作对。相较于传统的染色质构象捕获技术如Hi-C元件、HiChIP、ChIA-PET等，RIC-seq技术在解析增强子-启动子RNA相互作用位点之间的详细序列特征方面具有更高的分辨率。

　　基于增强子-启动子RNA互作（EPRI）图谱，研究人员意外发现增强子RNA和启动子RNA相互作用位点高度富集Alu重复序列。进一步的分析发现，增强子RNA和启动子RNA中互作的Alu元件具有更高的序列相似度且更倾向以反向互补的方式形成RNA双链体（RNA duplex）。

　　Alu元件是哺乳动物尤其是人类基因组中分布最广泛的中等重复序列，它们在基因转录调控中的作用还不清楚。该研究团队利用CRISPR-Cas9系统分别敲除增强子区和启动子区的Alu元件后发现靶标启动子对应基因的转录水平显著下调，定量染色体构象捕获实验（3C-qPCR）结果表明增强子和启动子之间的空间邻近接触也显著减少。反过来，在不含Alu 元件的启动子区人为插入Alu元件或利用dCasRx系统将Alu RNA序列靶向递送到不受调控的启动子RNA，都能够使原本不受调控的基因被激活，并且该启动子与增强子的空间接触也显著增加（图2a, b）。这些结果表明增强子和启动子RNA中的Alu序列可通过碱基互补配对形成RNA双链体，从而决定了增强子-启动子的配对选择特异性，进而激活对应靶标基因的转录。这一发现为研究基因组中重复序列的功能提供了新方向。

　　为了进一步证实增强子RNA和启动子RNA序列互补配对能够促进增强子-启动子互作，研究人员设计了不同长度并且可与增强子RNA互补的非Alu RNA序列，然后利用CRISPR-dCasRx系统的sgRNA将其靶向递送到启动子RNA上（图2c）。结果显示，随着非Alu RNA序列与增强子RNA（eRNA）之间碱基配对长度的增加，该启动子所对应的基因转录水平逐渐增加，表现出显著的转录激活效应（图2d）。这些证据有力地证明了增强子和启动子非编码RNA可通过互补配对激活转录。

　　此外，为了探索增强子-启动子RNA互作的病理相关性，研究人员进而将非编码区突变映射到增强子-启动子RNA互作（EPRI）图谱多宝体育，发现有超过53万个突变落在启动子和增强子RNA相互作用位点，提示这些突变可能破坏EPRI导致基因转录异常，从而引发疾病。因此，该研究团队在EPRI图谱的基础上构建了“突变-功能”图谱（图1），系统地注释了非编码突变（其中包含15,318个Alu元件的删除或插入）可能影响的靶标基因，为理解疾病发生的潜在多宝体育机制提供了宝贵的资源。

　　研究团队进一步的研究表明，位于Alu元件中的遗传突变可能影响数千个蛋白编码基因的转录，从而对细胞功能产生重要影响。在HeLa细胞中，删除癌基因PTK2增强子区的Alu元件能够显著抑制该基因的转录，同时细胞增殖和侵袭能力也会显著降低，这为Alu元件突变与癌症易感性之间的关联研究提供了重要线索。

　　该研究工作在RNA层面上揭示了增强子-启动子配对选择特异性的原则（图3），并将非编码风险变异与其分子功能有效地联系起来，为深入理解转录调控的分子机制以及疾病发生提供了新范式。

　　中国科学院生物物理所博士后梁良，副研究员曹唱唱、吉蕾，特别研究助理蔡兆奎为本文共同第一作者，薛愿超研究员为通讯作者。河南师范大学硕士研究生王若言和白志博参与了该项研究工作。该项研究工作还得到了广东省人民医院朱平教授和河南师范大学杨献光教授的帮助和指导。

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