Nature：薛愿超团队揭示基因组重复序列Alu调控转录新机制

编辑:中国基因网发布于:基因研究2023-07-144497

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）。增强子作为调控基因转录的重要元件，往往需要通过远距离染色质环化与目标启动子进行相互作用，从而决定基因的时空表达特异性。这一过程不仅参与了细胞命运的决定，还在多种疾病的发生发展中扮演着重要角色。增强子能够精确地选择将要激活的目标启动子，以调节靶基因的转录激活水平。然而，增强子和启动子配对选择的特异性是如何实现的一直是未解之谜。

2023年7月12日，中国科学院生物物理研究所薛愿超团队在 Nature 期刊发表了题为：Complementary Alu sequences mediate enhancer–promoter selectivity 的研究论文。

该研究发现，增强子（enhancer）和启动子（promoter）非编码RNA中反向互补的Alu序列，可通过碱基配对决定增强子-启动子的配对选择特异性。

薛愿超团队利用实验室之前开发的RNA原位构象测序技术RIC-seq（Nature，2020），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（EPRI）图谱，该图谱共涵盖了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、HiChIP、ChIA-PET等，RIC-seq技术在解析增强子-启动子互作位点的详细序列特征方面具有更高的分辨率。

基于EPRI图谱，研究人员发现相互作用的增强子和启动子RNA片段处富集Alu重复序列。Alu序列是哺乳动物以及人类基因组中广泛分布的一类重复序列，它们在基因转录调控中的作用仍不清楚。研究人员利用CRISPR-Cas9系统分别敲除增强子-启动子互作对中的Alu元件，发现靶标基因的转录水平显著下调，定量染色体构象捕获实验（3C-qPCR）结果也表明配对的增强子和启动子之间的空间邻近接触显著减少。反过来，在启动子区人为敲入Alu元件或利用CRISPR-dCasRx系统将Alu RNA序列靶向递送到不受调控的启动子RNA，都能够使原本不受特定增强子调控的基因被激活，并且该启动子与增强子之间的染色质空间接触也显著增加。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，进而决定了增强子-启动子的配对选择特异性。这一发现为研究基因组中重复序列的功能指明了新方向。

此外，为了进一步探索EPRI的功能以及对疾病发生发展的影响，研究人员将非编码区风险变异位点映射到增强子-启动子互作图谱，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导致基因异常表达，从而引发疾病。因此，该研究团队又在EPRI图谱的基础上构建了“突变-功能”图谱，系统地注释了非编码突变（尤其是Alu元件的删除和插入）影响的靶标基因以及可能的致病机制，为理解疾病发展的潜在机制提供了宝贵的资源。

研究团队进一步发现，位于Alu元件中的突变会影响数千个蛋白编码基因的表达，从而对细胞功能产生重要影响。如癌基因PTK2增强子中的多态性Alu元件删除能够显著降低细胞增殖和侵袭能力，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。