超級(jí)增強(qiáng)子調(diào)控基因表達(dá)的生物學(xué)作用及其在哺乳動(dòng)物中的應(yīng)用前景

趙 磊，康曉龍

(寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，銀川 750021)

增強(qiáng)子(enhancer)最早發(fā)現(xiàn)于家兔β-珠蛋白(β-globin)的轉(zhuǎn)錄研究中[1]，之后在小鼠[2]等物種的基因組中得以證實(shí)。隨著研究的進(jìn)一步深入，人們發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)子作為一種順式作用的DNA調(diào)控元件，能遠(yuǎn)距離、無方向性地增加靶基因的轉(zhuǎn)錄輸出，從而影響細(xì)胞的發(fā)育分化[3-7]。隨著后基因組時(shí)代的到來，人類對(duì)于基因組和增強(qiáng)子的認(rèn)識(shí)日益加深，在此基礎(chǔ)上Whyte等[8]于2013年首先提出了超級(jí)增強(qiáng)子的概念。此后,關(guān)于超級(jí)增強(qiáng)子的多項(xiàng)研究均表明了超級(jí)增強(qiáng)子在基因表達(dá)調(diào)控中的重要性[9]，因此，本文通過歸納超級(jí)增強(qiáng)子調(diào)控基因表達(dá)的生物學(xué)作用與主要應(yīng)用，以期為后續(xù)開展超級(jí)增強(qiáng)子在動(dòng)物重要表型調(diào)控中的分子作用研究提供參考與思路。

1 超級(jí)增強(qiáng)子及其特性

超級(jí)增強(qiáng)子(super enhancer,SE)的提出是基于對(duì)增強(qiáng)子的研究。2013 年，研究人員發(fā)現(xiàn)胚胎干細(xì)胞(embryonic stem cells，ESC)的主要轉(zhuǎn)錄因子在大多數(shù)控制多能性的基因上形成了不尋常的增強(qiáng)子域，將其定義為超級(jí)增強(qiáng)子[8]。其相對(duì)于普通增強(qiáng)子的特性主要包括以下幾點(diǎn)(圖1)：1)超級(jí)增強(qiáng)子的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合程度顯著高于普通增強(qiáng)子，其相關(guān)基因的表達(dá)水平更高；2)超級(jí)增強(qiáng)子相對(duì)于普通增強(qiáng)子DNaseI超敏反應(yīng)增加；3)超級(jí)增強(qiáng)子具有高密度的組蛋白H3K4me1和H3K27ac修飾，為高密度的Mediator、p300 等輔助因子所占據(jù)；4)一些轉(zhuǎn)錄因子水平的降低對(duì)超級(jí)增強(qiáng)子相關(guān)基因表達(dá)的影響大于普通增強(qiáng)子[10-11]；5)超級(jí)增強(qiáng)子自身能轉(zhuǎn)錄出大量的增強(qiáng)子RNA，且擁有更大密度的RNA聚合酶Ⅱ[12-13]。與普通的增強(qiáng)子相比，超級(jí)增強(qiáng)子內(nèi)的單個(gè)組分增強(qiáng)子具有提高轉(zhuǎn)錄激活水平的作用[8]，同時(shí)有證據(jù)表明，超級(jí)增強(qiáng)子內(nèi)的組分增強(qiáng)子之間存在加性或協(xié)同作用，在基因調(diào)控中具有非冗余功能，而組分增強(qiáng)子的缺失可能會(huì)損害其他超級(jí)增強(qiáng)子組分的活性，最終導(dǎo)致整個(gè)超級(jí)增強(qiáng)子功能障礙[14-17]。隨著超級(jí)增強(qiáng)子的發(fā)現(xiàn)，另一種能夠維持細(xì)胞身份(cell identity)類型的轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)子也被發(fā)現(xiàn)。Parker等[18]在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)一種大小在3 kb以上且具有增強(qiáng)子特征的較大基因組區(qū)域，將其定義為延伸增強(qiáng)子(stretch enhancer)。超級(jí)增強(qiáng)子和延伸增強(qiáng)子都代表一類轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)子，均被證明可以控制細(xì)胞身份基因的表達(dá)，并攜帶與疾病特質(zhì)相關(guān)的變異。不同的是，超級(jí)增強(qiáng)子是根據(jù)主轉(zhuǎn)錄因子、染色質(zhì)調(diào)節(jié)因子或染色質(zhì)標(biāo)記的結(jié)合占位而定義的增強(qiáng)子簇，比后者具有更高的轉(zhuǎn)錄活性和細(xì)胞類型特異性[19]。

圖1 超級(jí)增強(qiáng)子的結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of the super enhancers

2 超級(jí)增強(qiáng)子的鑒定

超級(jí)增強(qiáng)子的鑒定是依據(jù)增強(qiáng)子轉(zhuǎn)錄活性標(biāo)記分子結(jié)合水平強(qiáng)度的差異，這些分子包括輔因子(如Mediator和Cohesin)、組蛋白修飾標(biāo)記(如 H3K27ac和H3K4me1)、染色質(zhì)修飾分子(如p300)及BET家族蛋白(BRD4)[8,10]。當(dāng)前超級(jí)增強(qiáng)子的鑒定主要通過染色質(zhì)免疫沉淀測序(Chromatin immunoprecipitation followed by high-throughput sequencing,ChIP-seq)，主要包括3個(gè)步驟(圖2A)：1)識(shí)別活性增強(qiáng)子位點(diǎn)；2)縫合增強(qiáng)子；3)確定超級(jí)增強(qiáng)子與普通增強(qiáng)子之間的閾值[20]。首先，利用ChIP-seq檢測與活性增強(qiáng)子相關(guān)的因子或組蛋白修飾，如轉(zhuǎn)錄因子、轉(zhuǎn)錄共激活因子(Mediator、p300等)以及組蛋白修飾(H3K27ac、H3K4me1)；其次，將所得增強(qiáng)子進(jìn)行縫合。研究人員將相互連接于12.5 kb范圍內(nèi)的增強(qiáng)子定義為一個(gè)單一實(shí)體，即縫合增強(qiáng)子(stitched enhancer)；最后，通過計(jì)算不同增強(qiáng)子區(qū)域Med1的ChIP-seq信號(hào)水平[21]，對(duì)縫合增強(qiáng)子和其余的單個(gè)增強(qiáng)子進(jìn)行排序，以獲得結(jié)果曲線并確定閾值(圖2B)，以此區(qū)分超級(jí)增強(qiáng)子與普通增強(qiáng)子。近年來，研究者通過各種方法進(jìn)行超級(jí)增強(qiáng)子的鑒定，如染色體構(gòu)象捕獲技術(shù)3C(chromosome conformation capture)[22]及其拓展技術(shù)4C(circular chromosome conformation capture)[23]、5C(chromosome conformation capture carbon copy)[24]以及Hi-C(High-through chromosome conformation capture)[25]等。

A.超級(jí)增強(qiáng)子的鑒定流程圖；B.根據(jù)ChIP-seq 富集信號(hào)強(qiáng)度對(duì)增強(qiáng)子進(jìn)行排序，確定閾值從而鑒定出超級(jí)增強(qiáng)子A.Flow chart for identification of super enhancers;B.Ranking of enhancers based on ChIP-seq enrichment signal strength and determination of thresholds to identify super enhancers圖2 超級(jí)增強(qiáng)子的鑒定Fig.2 Identification of super enhancers

3 超級(jí)增強(qiáng)子的作用方式

3.1 超級(jí)增強(qiáng)子的基本調(diào)控機(jī)制

在真核生物中，增強(qiáng)子-啟動(dòng)子的相互作用是基因轉(zhuǎn)錄的重要環(huán)節(jié)。超級(jí)增強(qiáng)子作為基因轉(zhuǎn)錄過程中的正調(diào)節(jié)因子，在基因轉(zhuǎn)錄過程中扮演著重要角色，對(duì)基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用緊密依賴于其靶向轉(zhuǎn)錄因子、輔助因子和介質(zhì)的募集，以及增強(qiáng)子-啟動(dòng)子相互作用的形成[26]，這是超級(jí)增強(qiáng)子作為細(xì)胞中的一種三維結(jié)構(gòu)體系調(diào)控啟動(dòng)子的作用模型，也與以往的多數(shù)研究結(jié)果相符。超級(jí)增強(qiáng)子作為一個(gè)大的增強(qiáng)子簇，它所包含的每個(gè)組分增強(qiáng)子，均可獨(dú)立結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子、輔助因子，共同調(diào)控同一啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄活性，因此超級(jí)增強(qiáng)子的基本調(diào)控機(jī)制也依賴于其組分增強(qiáng)子的功能，最終通過增強(qiáng)子和啟動(dòng)子間的互作發(fā)揮功能。大量研究發(fā)現(xiàn)，增強(qiáng)子與啟動(dòng)子之間的相互作用是隨著基因表達(dá)而建立的，但無法理清增強(qiáng)子與啟動(dòng)子的接觸是基因激活的原因還是結(jié)果。對(duì)此有研究表明，增強(qiáng)子和啟動(dòng)子之間的物理接觸傳遞了轉(zhuǎn)錄過程所需的相關(guān)調(diào)控信息[27]；另有研究結(jié)果表明，誘導(dǎo)小鼠β-珠蛋白(β-globin)啟動(dòng)子與其位點(diǎn)控制區(qū)域增強(qiáng)子接觸，會(huì)導(dǎo)致Hbb基因極顯著的轉(zhuǎn)錄激活，即使在缺乏關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子GATA1的情況下也是如此，直接證明增強(qiáng)子-啟動(dòng)子互作可以誘導(dǎo)基因轉(zhuǎn)錄[28]。在增強(qiáng)子和啟動(dòng)子互作過程中，拓?fù)潢P(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)域(topologically assocaited domain，TAD)起到重要作用。TAD是一種首先發(fā)現(xiàn)于哺乳動(dòng)物細(xì)胞中的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)單元[29]，是真核生物基因組的基本成分[30]。多種證據(jù)表明，TAD的邊界能起到絕緣體的作用，防止不適當(dāng)?shù)脑鰪?qiáng)子-啟動(dòng)子相互作用。對(duì)此，相關(guān)研究能夠證明：結(jié)構(gòu)蛋白為TAD構(gòu)建染色質(zhì)并充當(dāng)邊界[31-32]，而超級(jí)增強(qiáng)子邊緣又廣泛檢測到結(jié)構(gòu)蛋白[33]，由此確定CTCF(CCCTC binding factor，在多種病毒中調(diào)控轉(zhuǎn)錄的蛋白)是TAD和超級(jí)增強(qiáng)子的邊界。例如在T細(xì)胞急性淋巴細(xì)胞白血病(T-All)中，當(dāng)CTCF介導(dǎo)的絕緣體缺失時(shí)，相關(guān)TAD融合，導(dǎo)致超級(jí)增強(qiáng)子與MYC基因啟動(dòng)子之間的異常接觸，致使癌基因表達(dá)上調(diào)[34]。一項(xiàng)有關(guān)超級(jí)增強(qiáng)子在乳腺癌中異常調(diào)控的研究顯示，關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子RUNX3占據(jù)調(diào)控RCAN1.4基因表達(dá)的遠(yuǎn)端超級(jí)增強(qiáng)子，該轉(zhuǎn)錄因子在乳腺癌中的低表達(dá)，致使該超級(jí)增強(qiáng)子驅(qū)動(dòng)異常，從而導(dǎo)致RCAN1.4表達(dá)減少。在進(jìn)一步探討RCAN1.4基因在癌組織中低表達(dá)的可能原因時(shí)，發(fā)現(xiàn)RCAN1.4的核心啟動(dòng)子區(qū)和遠(yuǎn)端超級(jí)增強(qiáng)子區(qū)存在于同一個(gè)TAD[35]，一定程度反映了TAD與超級(jí)增強(qiáng)子在調(diào)控機(jī)制上的關(guān)聯(lián)性?？偠灾诓煌难芯勘尘跋?，TAD對(duì)超級(jí)增強(qiáng)子的影響機(jī)制不盡相同，但似乎都能表明超級(jí)增強(qiáng)子可能需要依賴于特定的TAD來實(shí)現(xiàn)一些轉(zhuǎn)錄激活的功能。

3.2 超級(jí)增強(qiáng)子介導(dǎo)非編碼RNA調(diào)控靶基因表達(dá)

非編碼RNA(non-coding RNA)是指不翻譯成多肽的一類RNA，越來越多的證據(jù)表明非編碼RNA在劑量補(bǔ)償、細(xì)胞分化、細(xì)胞增殖、組織再生和適應(yīng)性免疫等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用[36-37]。近期的研究表明，超級(jí)增強(qiáng)子不僅激活編碼基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)直接調(diào)節(jié)生物功能，還通過驅(qū)動(dòng)非編碼RNA的轉(zhuǎn)錄表達(dá)間接調(diào)節(jié)生物功能。一方面，它們能促進(jìn)小RNA(microRNA，miRNA)和長鏈非編碼RNA(long noncoding RNA，lncRNA)的轉(zhuǎn)錄和成熟；另一方面，超級(jí)增強(qiáng)子本身的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物eRNA(enhancer RNA,eRNA)在調(diào)控基因表達(dá)方面也起著協(xié)同作用。這些非編碼RNA主要包括miRNA、lncRNA、環(huán)狀RNA(circRNA)和增強(qiáng)子RNA(eRNA)[38]。

miRNA是最早被識(shí)別的非編碼RNA[39-40]，Suzuki等[41]報(bào)道了超級(jí)增強(qiáng)子是組織特異性miRNA網(wǎng)絡(luò)的核心，通過調(diào)節(jié)miRNA的產(chǎn)生影響多種腫瘤的進(jìn)展。其實(shí)質(zhì)是超級(jí)增強(qiáng)子通過增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄，促進(jìn)DROSHA/DGCR8招募和初級(jí)轉(zhuǎn)錄物(pri-miRNA)加工來驅(qū)動(dòng)對(duì)細(xì)胞身份至關(guān)重要的主要miRNA的生物發(fā)生過程，之后再由miRNA調(diào)控相應(yīng)的靶基因，從而實(shí)現(xiàn)超級(jí)增強(qiáng)子通過miRNA間接調(diào)控靶基因表達(dá)的過程。例如Ng等[42]發(fā)現(xiàn)，超級(jí)增強(qiáng)子通過miR-32抑制靶基因Tob1活性來上調(diào)FGF21分泌因子的表達(dá)，進(jìn)而激活p38/MAPK信號(hào)通路，促進(jìn)小鼠棕色脂肪組織的發(fā)生和白色脂肪褐變。超級(jí)增強(qiáng)子通常驅(qū)動(dòng)組織特異性基因的高水平表達(dá)，包括具有進(jìn)化保守的細(xì)胞類型特異性功能的miRNA基因。Sin-Chan等[43]報(bào)道了一種超級(jí)增強(qiáng)子衍生的大型miRNA簇C19MC，C19MC可被TTYH1通過其上游的超級(jí)增強(qiáng)子區(qū)域調(diào)控，過表達(dá)的C19MC驅(qū)動(dòng)多層菊形團(tuán)胚胎性腫瘤(embryonal tumorswith multilayered rosettes，ETMRs)中的C19MC -lin28a -mycn回路，促進(jìn)ETMR細(xì)胞的生長；同時(shí)，Anandagoda等[44]發(fā)現(xiàn)，在調(diào)節(jié)性T細(xì)胞中，轉(zhuǎn)錄因子FoxP3可與pri-miR-142的超級(jí)增強(qiáng)子區(qū)域結(jié)合，促進(jìn)其轉(zhuǎn)錄，從而抑制其下游靶基因PDE3b的表達(dá)。這些結(jié)果提示，超級(jí)增強(qiáng)子在基因表達(dá)調(diào)控中與miRNA存在密切的互作關(guān)系，從而在靶基因的轉(zhuǎn)錄活性及表達(dá)水平方面發(fā)揮重要的生物學(xué)功能，但它們?cè)敿?xì)的互作機(jī)制需要更為深入的研究來揭示。

lncRNA在超級(jí)增強(qiáng)子的調(diào)控機(jī)制中也發(fā)揮重要作用。研究表明，超級(jí)增強(qiáng)子衍生的lncRNA可以與外顯子敏感的lncRNA發(fā)生互作，從而激活啟動(dòng)子和增強(qiáng)子，促進(jìn)靶基因染色質(zhì)環(huán)整合和核拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)域的形成，促進(jìn)其表達(dá)[45]。值得一提的是，一種與超級(jí)增強(qiáng)子密切相關(guān)的lncRNA——超級(jí)lncRNA。超級(jí)lncRNA(super-lncRNA)是指與超級(jí)增強(qiáng)子區(qū)域形成RNA∶DNA∶DNA三螺旋的lncRNA，可招募調(diào)控因子至超級(jí)增強(qiáng)子區(qū)，從而影響染色體結(jié)構(gòu)，并作為空間放大器，促進(jìn)超級(jí)增強(qiáng)子相關(guān)的組織特異性基因表達(dá)[46]。超級(jí)lncRNA最主要的作用機(jī)制之一是通過順式作用調(diào)控鄰近基因的表達(dá)。如Hand2是控制成纖維細(xì)胞向心肌細(xì)胞分化的核心轉(zhuǎn)錄因子之一，其表達(dá)受到鄰近一種名為UPH的SE-lncRNA 的調(diào)節(jié)[47]。在人肝星狀細(xì)胞(human hepatic stellate cells，HSCs)鑒定出許多l(xiāng)ncRNAs，且發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化生長因子β(transforming growth factor β，TGF-β)直接調(diào)控的lncRNA在超級(jí)增強(qiáng)子中富集[48]?？紤]到肝星狀細(xì)胞是肝纖維化的主要細(xì)胞類型，這一發(fā)現(xiàn)提示，TGF-β通過調(diào)控這些超級(jí)增強(qiáng)子相關(guān)lncRNAs參與肝纖維化。Fan等[49]在小鼠肝中發(fā)現(xiàn)一個(gè)命名為lnc-Crot的晝夜節(jié)律lncRNA，在晝夜節(jié)律波動(dòng)基因Crot上游的一個(gè)超級(jí)增強(qiáng)子上表達(dá)，其作用受到轉(zhuǎn)錄因子BMAL1和REV-ERBα的影響；進(jìn)一步的試驗(yàn)表明，lnc-Crot位點(diǎn)具有獨(dú)立于lnc-Crot轉(zhuǎn)錄的增強(qiáng)子功能，lnc-Crot位點(diǎn)與晝夜節(jié)律波動(dòng)基因相互作用，通過長期相互作用促進(jìn)晝夜節(jié)律轉(zhuǎn)錄因子對(duì)附近基因的調(diào)控。

關(guān)于超級(jí)增強(qiáng)子所衍生的circRNAs形成機(jī)制的研究相對(duì)缺乏，且與超級(jí)增強(qiáng)子相關(guān)的circRNAs數(shù)據(jù)庫同樣不足。目前，Tang等[50]開發(fā)了circRNAs數(shù)據(jù)庫TRCirc，便于檢索、瀏覽以及可視化circRNA的轉(zhuǎn)錄調(diào)控信息，其中包括circRNA相關(guān)的超級(jí)增強(qiáng)子。Han等[51]發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)錄因子YY1與QKI(Quaking)的超級(jí)增強(qiáng)子和啟動(dòng)子結(jié)合，再經(jīng)p65與啟動(dòng)子結(jié)合、p300作為中介，引起DNA環(huán)(DNA loops)的形成以及QKI的異常激活，異常激活的QKI會(huì)導(dǎo)致肝癌組織中circRNA的形成，再由circ-RNA吸附相應(yīng)的miRNA，促進(jìn)癌基因的表達(dá)。另有研究表明，超級(jí)增強(qiáng)子調(diào)控的circRNA Nfix缺失可誘導(dǎo)成年小鼠心肌梗死后的心組織再生，在這一過程中，轉(zhuǎn)錄因子Meis1與circNfix位點(diǎn)上的超級(jí)增強(qiáng)子結(jié)合可以調(diào)控其表達(dá)，而circNfix通過促進(jìn)Ybx1泛素依賴性降解和抑制miR-214活性來抑制心肌細(xì)胞增殖，因此誘導(dǎo)circNfix的下調(diào)可促進(jìn)成年心肌細(xì)胞增殖和心組織再生，顯著減少心肌梗死后的纖維化區(qū)域，促進(jìn)功能恢復(fù)[52]。該結(jié)果支持超級(jí)增強(qiáng)子通過招募主轉(zhuǎn)錄因子參與了誘導(dǎo)細(xì)胞分化和增殖的因果機(jī)制。由此，可以大體推斷出超級(jí)增強(qiáng)子通過非編碼RNA實(shí)現(xiàn)其對(duì)相應(yīng)靶基因的調(diào)控，主要通過形成超級(jí)增強(qiáng)子——轉(zhuǎn)錄因子——非編碼RNA——靶基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。

3.3 超級(jí)增強(qiáng)子通過超級(jí)增強(qiáng)子RNA參與基因表達(dá)調(diào)控

研究表明，RNA聚合酶Ⅱ在超級(jí)增強(qiáng)子上的聚集密度大于典型的增強(qiáng)子，從而產(chǎn)生了更高水平的eRNA，即超級(jí)增強(qiáng)子RNA(super enhancer RNA，seRNA)[13]，其實(shí)質(zhì)是超級(jí)增強(qiáng)子自身轉(zhuǎn)錄形成的一種增強(qiáng)子RNA，但由于seRNA與超級(jí)增強(qiáng)子的特殊關(guān)系，對(duì)于超級(jí)增強(qiáng)子的影響機(jī)制與其他非編碼RNA有所不同。seRNA的功能可分為順式(cis)調(diào)控和反式(trans)調(diào)控兩種。順式調(diào)控是seRNA從其合成位點(diǎn)上招募蛋白質(zhì)復(fù)合物來激活相鄰基因，例如位于Nanog基因位點(diǎn)上超級(jí)增強(qiáng)子的seRNA缺失，會(huì)導(dǎo)致其相鄰基因Dpp3的表達(dá)顯著降低，從而通過順式調(diào)控對(duì)相鄰基因進(jìn)行差異調(diào)控。同時(shí)通過染色體構(gòu)象捕獲技術(shù)(3C)，作者證明了DPPA3啟動(dòng)子處遠(yuǎn)端超級(jí)增強(qiáng)子的環(huán)變小約50%，表明遠(yuǎn)端seRNA穩(wěn)定了順式結(jié)構(gòu)中環(huán)和染色質(zhì)的相互作用，從而調(diào)控了DPPA3的表達(dá)[53]。類似的，另一種命名為CARMEN的seRNA轉(zhuǎn)錄被發(fā)現(xiàn)可以直接激活下游基因的表達(dá)，調(diào)節(jié)心組織細(xì)胞分化[54]。反式調(diào)控則表明，seRNA也可能在染色體間發(fā)揮作用，從而引導(dǎo)靶基因的表達(dá)，這無疑擴(kuò)大了SE的功能范圍，例如MYOD上游非編碼RNA(MNUC)是一種eRNA，可誘導(dǎo)形成特定的肌源性轉(zhuǎn)錄本，但MNUC在C2C12細(xì)胞完全不含MyoD蛋白的情況下，依舊可誘導(dǎo)產(chǎn)生多種肌源性轉(zhuǎn)錄本，這不同于許多基因是由MUNC以一種依賴于MyoD的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而驗(yàn)證了MNUC是一種獨(dú)立于MyoD的反式作用非編碼RNA[55]。有關(guān)seRNA的研究更多報(bào)道于癌癥或腫瘤相關(guān)研究中，如seRNA能夠通過招募輔助因子、RNA聚合酶Ⅱ和介質(zhì)，構(gòu)成并穩(wěn)定超級(jí)增強(qiáng)子和啟動(dòng)子區(qū)的染色質(zhì)環(huán)(圖3)，從而調(diào)控腫瘤相關(guān)靶基因轉(zhuǎn)錄[56]。總之，seRNA的主要功能與eRNA類似，對(duì)于超級(jí)增強(qiáng)子的調(diào)控機(jī)制起到促進(jìn)作用，但二者的調(diào)控機(jī)制需要更多的研究報(bào)道來揭示與闡述。

3.4 超級(jí)增強(qiáng)子通過相分離調(diào)控基因表達(dá)

相分離(phase separation)又稱相變(phase transition)，通常作為一種物理現(xiàn)象為人所熟知。Brangwynne等[57]在關(guān)于線蟲P顆粒的研究中，發(fā)現(xiàn)P顆粒(一種蛋白質(zhì))并非是一種固體，而是像液滴一樣，相互碰撞融合，劇烈搖晃后分散成很小的液滴，而后又很快地融合形成大液滴，該研究首次證實(shí)了生物體內(nèi)的相變過程。隨后的研究也表明，相分離現(xiàn)象不僅普遍存在于細(xì)胞內(nèi)，如核仁[58]、蛋白[59]等，還存在于DNA修復(fù)[60]、神經(jīng)信號(hào)傳遞[61]等生命活動(dòng)過程，這些研究使生命科學(xué)領(lǐng)域的研究者認(rèn)識(shí)到相分離現(xiàn)象可能是一種普遍的生物學(xué)現(xiàn)象，這為揭示真核生物體內(nèi)不同數(shù)量級(jí)的DNA調(diào)控元件、RNA調(diào)控分子以及多種蛋白調(diào)控因子如何相互協(xié)調(diào)，進(jìn)行復(fù)雜的基因調(diào)控提供了新的理論模型。由此，相分離成為生命科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，同時(shí)也為解釋超級(jí)增強(qiáng)子的作用機(jī)制提供了新的啟發(fā)。

2017年Hnisz等[62]首次以相分離理論解釋超級(jí)增強(qiáng)子如何參與基因調(diào)控，雖然該觀點(diǎn)沒有充足的試驗(yàn)證據(jù)，但為進(jìn)一步探索哺乳動(dòng)物基因控制原理搭建了一個(gè)基本框架。隨后，該作者團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果表明，轉(zhuǎn)錄共激活因子BRD4和MED1可以結(jié)合在超級(jí)增強(qiáng)子處發(fā)生相分離并形成液滴，通過相分離從細(xì)胞核中隔離出轉(zhuǎn)錄相關(guān)組分，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄過程的區(qū)室化(compartmentalization)反應(yīng)，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄過程的正常進(jìn)行，而固有無序區(qū)域(intrinsically disordered regions，IDRs，是內(nèi)在無序蛋白的主要功能位點(diǎn)，能促進(jìn)多種細(xì)胞功能)在其中發(fā)揮關(guān)鍵作用，該研究為超級(jí)增強(qiáng)子通過相分離調(diào)控基因表達(dá)的模型提供了試驗(yàn)證據(jù)[63]。同時(shí)，有研究證明超級(jí)增強(qiáng)子內(nèi)部，轉(zhuǎn)錄因子激活域通過與共激活劑形成相分離的凝聚物來影響基因表達(dá)[64]，相關(guān)研究結(jié)果奠定了相分離的理論基礎(chǔ)，為進(jìn)一步闡明相分離的獨(dú)特功能和實(shí)現(xiàn)過程提供了重要基礎(chǔ)，且超級(jí)增強(qiáng)子和相分離的聯(lián)合研究為未來人類重大疾病的攻克、哺乳動(dòng)物重要表型性狀的調(diào)控，從基因水平提供了全新方法與思路。

seRNA招募RNA Pol Ⅱ、CoFs和Med，形成和穩(wěn)定SE和啟動(dòng)子的染色質(zhì)環(huán)，調(diào)控靶基因轉(zhuǎn)錄seRNA recruits RNA Pol Ⅱ,CoFs and Med to form and stabilize the chromatin loops of SE and promoters,regulating target gene transcription圖3 超級(jí)增強(qiáng)子通過seRNA參與基因表達(dá)調(diào)控Fig.3 Super enhancers participate in the regulation of gene expression through seRNA

3.5 超級(jí)增強(qiáng)子參與表達(dá)調(diào)控的其他可能方式

由于研究材料的不同，超級(jí)增強(qiáng)子在不同生物細(xì)胞中的調(diào)控方式具有較大差異，但可以確定的是，超級(jí)增強(qiáng)子可以通過重要信號(hào)通路來參與細(xì)胞發(fā)育或腫瘤的發(fā)生發(fā)展過程中的基因表達(dá)[15,65]。信號(hào)通路作為機(jī)體內(nèi)實(shí)現(xiàn)諸多細(xì)胞功能的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，已被證明可以通過控制活性增強(qiáng)子轉(zhuǎn)錄的起止驅(qū)動(dòng)特定細(xì)胞生長[66]。這在一定程度上提示具有更高轉(zhuǎn)錄活性的超級(jí)增強(qiáng)子可能與信號(hào)通路存在某種關(guān)聯(lián)。近來Sun等[67]在研究多能干細(xì)胞分化作用機(jī)制時(shí)，發(fā)現(xiàn)Hippo信號(hào)通路對(duì)超級(jí)增強(qiáng)子具有調(diào)控作用。在該機(jī)制當(dāng)中，Hippo信號(hào)通路的效應(yīng)因子YAP發(fā)揮關(guān)鍵作用，表現(xiàn)為能協(xié)同多能干細(xì)胞的核心轉(zhuǎn)錄因子和其他超級(jí)增強(qiáng)子結(jié)合蛋白共同作用超級(jí)增強(qiáng)子(圖4)，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵基因表達(dá)的調(diào)控。在YAP富集增加的位點(diǎn)上，干細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子的富集也相應(yīng)增高，導(dǎo)致一些普通增強(qiáng)子轉(zhuǎn)變?yōu)槌?jí)增強(qiáng)子，使其調(diào)控的基因表達(dá)增強(qiáng)。同時(shí)YAP也會(huì)引導(dǎo)激酶Mst(Kinase)缺失的胚胎干細(xì)胞中新的超級(jí)增強(qiáng)子形成，以及在相分離過程中發(fā)揮重要作用的Med1組分蛋白在譜系相關(guān)基因上的凝聚增強(qiáng)。該研究是在胚胎干細(xì)胞中所揭示的一種通過調(diào)節(jié)YAP結(jié)合超級(jí)增強(qiáng)子形成的譜系分化的新機(jī)制，同時(shí)該機(jī)制也體現(xiàn)了Med1作為轉(zhuǎn)錄共激活因子所具備的相分離的生物學(xué)功能。需要強(qiáng)調(diào)的是，上述信號(hào)通路對(duì)于超級(jí)增強(qiáng)子的調(diào)控，是一種基于特定組織細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的新型超級(jí)增強(qiáng)子調(diào)控機(jī)制，至于在其他組織細(xì)胞中是否也存在信號(hào)通路對(duì)于超級(jí)增強(qiáng)子的調(diào)控需要更多研究結(jié)果來說明。

超級(jí)增強(qiáng)子在各種特定組織、疾病中的調(diào)控機(jī)制雖略有差異，但基本都是在各種因素的影響下，形成一個(gè)與啟動(dòng)子實(shí)現(xiàn)物理接觸的大型復(fù)合體。但相分離模型的提出使得這種以往的假設(shè)模型無法解釋染色質(zhì)相分離凝結(jié)水的形成，因此超級(jí)增強(qiáng)子更可能是通過空間接近來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄激活[68]。

4 超級(jí)增強(qiáng)子在動(dòng)物重要表型調(diào)控中的應(yīng)用前景

由于超級(jí)增強(qiáng)子本身具有極高的轉(zhuǎn)錄激活能力，且多富集于基因組的變異區(qū)，在以往研究中，主要報(bào)道了其在維持細(xì)胞身份、細(xì)胞發(fā)育以及控制疾病相關(guān)基因方面具有重要作用。通過借鑒當(dāng)下超級(jí)增強(qiáng)子在模式動(dòng)物和一些疾病中的研究成果，如人類癌癥相關(guān)，小鼠模型研究中脂肪形成、乳腺發(fā)育以及肌源性分化等，發(fā)現(xiàn)超級(jí)增強(qiáng)子在家養(yǎng)哺乳動(dòng)物表型調(diào)控的研究中具有重大應(yīng)用前景，這些研究結(jié)果能夠?yàn)槲磥磙r(nóng)業(yè)動(dòng)物的研究應(yīng)用提供啟發(fā)和方向。例如在乳腺組織中的研究表明，富含乳腺轉(zhuǎn)錄因子(如STAT5)的超級(jí)增強(qiáng)子可以控制與乳腺組織分化相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄[69]，在對(duì)泌乳期的乳腺組織進(jìn)行分析時(shí)，鑒定出440個(gè)乳腺特異性超增強(qiáng)子，其中一半的超級(jí)增強(qiáng)子相關(guān)基因是由轉(zhuǎn)錄因子STAT5在孕期誘導(dǎo)，且在乳腺組織的表達(dá)高度豐富[17]。而在肌源性分化的研究中，有研究表明，超級(jí)增強(qiáng)子在肌源性分化中的作用主要通過增強(qiáng)子RNA來實(shí)現(xiàn)，例如超級(jí)增強(qiáng)子產(chǎn)生的Serna-1和Serna-2在體內(nèi)外均能促進(jìn)小鼠肌源性分化，這一過程是由主轉(zhuǎn)錄因子MyoD誘導(dǎo)Serna與核不均一核糖核蛋白L(heterogeneous nuclear ribonucleoprotein L，HnRNPL)相互作用，在肌源性分化過程中激活靶基因轉(zhuǎn)錄[70]。另外使用小鼠模型進(jìn)行肌源性分化研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)錄因子PAX7通過與一個(gè)或多個(gè)肌肉相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子協(xié)作來組裝超級(jí)增強(qiáng)子，從而對(duì)肌肉中關(guān)鍵靶基因進(jìn)行調(diào)控[71]。

同樣，超級(jí)增強(qiáng)子也參與了脂肪的形成、分化以及代謝過程，并在其中發(fā)揮重要作用。例如在棕色脂肪形成過程中，研究者利用甲基轉(zhuǎn)移酶MLL4和乙酰轉(zhuǎn)移酶CBP在小鼠脂肪細(xì)胞中鑒定出一些超級(jí)增強(qiáng)子，結(jié)合脂肪發(fā)生過程中的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其中一部分超級(jí)增強(qiáng)子與一般脂肪生成基因相關(guān)，其他則為棕色脂肪特異性(brown-specific)超級(jí)增強(qiáng)子[72]，此外，BET含溴結(jié)構(gòu)域蛋白4(bromodomain-containing protein 4，BRD4)可以通過形成新的超級(jí)增強(qiáng)子來傳導(dǎo)脂肪生成程序，從而驅(qū)動(dòng)PPARG和CEBPA轉(zhuǎn)錄，促進(jìn)脂肪細(xì)胞分化[73]。在脂質(zhì)代謝方面的研究發(fā)現(xiàn)，超級(jí)增強(qiáng)子所驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)錄因子KLF6支持脂質(zhì)代謝基因的表達(dá)，促進(jìn)PDGFB的表達(dá)，PDGFB激活mTOR信號(hào)和下游脂代謝調(diào)節(jié)因子SREBF1和SREBF2的表達(dá)[74]。在肥胖治療方面，相關(guān)研究也能證實(shí)超級(jí)增強(qiáng)子所發(fā)揮的重要作用，例如在小鼠體內(nèi)存在一種棕色脂肪組織(brown adipose tissue)特異性的超級(jí)增強(qiáng)子能通過相關(guān)miRNA，促進(jìn)小鼠棕色脂肪組織的發(fā)生和白色脂肪褐變，可以被用于治療肥胖[42]。這些研究結(jié)果充分說明超級(jí)增強(qiáng)子在哺乳動(dòng)物重要表型調(diào)控中的關(guān)鍵作用，對(duì)未來解析家養(yǎng)動(dòng)物的營養(yǎng)物質(zhì)吸收、脂肪沉積以及能量利用等生物學(xué)過程提供了研究思路。

近來，超級(jí)增強(qiáng)子在哺乳動(dòng)物中的研究有了最新進(jìn)展。Luan等[75]在豬肝中鑒定出了1 711個(gè)超級(jí)增強(qiáng)子，而肝在新陳代謝中起重要作用并能夠影響豬的生產(chǎn)，該研究既為未來超級(jí)增強(qiáng)子在豬的基因調(diào)控提供了參考，同時(shí)也為下一步超級(jí)增強(qiáng)子在豬的表型調(diào)控研究奠定前期基礎(chǔ)。另外一項(xiàng)研究通過對(duì)斑馬魚與小鼠和人類的超級(jí)增強(qiáng)子進(jìn)行序列和功能比較分析，發(fā)現(xiàn)超級(jí)增強(qiáng)子與物種基因組大小成正比；且42%的斑馬魚超級(jí)增強(qiáng)子位于與小鼠和人類超級(jí)增強(qiáng)子相關(guān)的同源序列附近，揭示了哺乳動(dòng)物間超級(jí)增強(qiáng)子在功能上存在高度保守性[76]。此外，研究人員開發(fā)了包括綿羊、雞等家養(yǎng)哺乳動(dòng)物在內(nèi)的超級(jí)增強(qiáng)子數(shù)據(jù)庫，將極大促進(jìn)家養(yǎng)哺乳動(dòng)物超級(jí)增強(qiáng)子的研究進(jìn)展[77]。當(dāng)前家畜超級(jí)增強(qiáng)子相關(guān)研究主要是基于表型差異背景的超級(jí)增強(qiáng)子測序分析，對(duì)于其參與表型變異調(diào)控的分子功能驗(yàn)證仍有欠缺。

超級(jí)增強(qiáng)子在哺乳動(dòng)物重要表型的基因表達(dá)調(diào)控過程中發(fā)揮重要作用，主要表現(xiàn)在人或小鼠等模式動(dòng)物上。盡管相關(guān)研究在家養(yǎng)哺乳動(dòng)物中報(bào)道較少，但當(dāng)下科研人員不斷開始嘗試進(jìn)行家養(yǎng)哺乳動(dòng)物超級(jí)增強(qiáng)子的鑒定分析，基本證實(shí)了可以通過超級(jí)增強(qiáng)子調(diào)節(jié)特定基因的表達(dá)活性來調(diào)控相關(guān)機(jī)體表型，這對(duì)于揭示表型性狀背后的分子機(jī)理、開展家養(yǎng)動(dòng)物主要表型調(diào)控具有重要的參考價(jià)值，同時(shí)也可為家養(yǎng)哺乳動(dòng)物分子育種提供一種新的研究思路與方法。

5 展望

超級(jí)增強(qiáng)子能驅(qū)動(dòng)控制細(xì)胞身份基因的表達(dá)，在機(jī)體發(fā)育和疾病發(fā)生過程中起到重要作用。基于超級(jí)增強(qiáng)子在基因表達(dá)調(diào)控中顯著的正向調(diào)節(jié)作用，如促進(jìn)動(dòng)物脂肪分化、乳腺組織分化以及肌源性分化相關(guān)基因的表達(dá)，這對(duì)于揭示哺乳動(dòng)物此類表型性狀背后的分子機(jī)理具有重要意義。隨著生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于超級(jí)增強(qiáng)子的認(rèn)識(shí)正在逐漸拓寬，如超級(jí)增強(qiáng)子參與細(xì)胞代謝重編程[78]等。隨著分子生物學(xué)研究從組織樣(bulk cell)到單分子(single molecular)及單細(xì)胞(single cell)水平的轉(zhuǎn)變[79]，結(jié)合CRISPR/Cas9[80]、空間轉(zhuǎn)錄組、染色質(zhì)可及性等新興技術(shù)將為進(jìn)一步了解超級(jí)增強(qiáng)子的生物學(xué)作用提供空間，也為詳細(xì)探究超級(jí)增強(qiáng)子功能機(jī)制提供了更多可能，從而期望對(duì)超級(jí)增強(qiáng)子在哺乳類動(dòng)物的相關(guān)疾病或性狀解析中提供參考與啟示。