Cell丨抑制性染色质如何调控基因的转录？

来源：BioArt

撰文 | 秋枫

多细胞动物基因组中，LADs (Lamina-associated domains) 是最著名的异染色质结构域【1】。在哺乳动物细胞中，LADs大约为10kb-10Mb大小，覆盖了30-40%的基因组【2】。LADs与核纤层 (nuclear lamina, NL) 相互结合，其内富集了几种主要的组蛋白修饰方式，比如H3K9me2、H3K9me3以及H3K27me3等。在哺乳动物中，有几千个基因位于LADs内，其中大部分基因都处于转录失活状态。研究人员认为，LADs形成了一种染色质抑制状态。有研究报道，人工将基因转位到核纤层附近，能够减少一些基因的表达，虽然并不是所有基因都如此【3】。然而，处于LADs内部的原位基因，目前研究并不多。也有一些报道认为，LADs的异染色质状态抑制了存在于其中的一些基因的转录活性。

虽然，LADs内的大多数基因都处于转录失活状态，但是也有大约10%的基因能够正常表达。这些例外的基因能够对抗LAD环境的抑制作用，研究这种例外的情况能够让我们更好的认识LADs的作用机制。

2019年4月11日，来自荷兰癌症研究所的Bas van Steensel教授团队，在Cell上以 Promoter-Intrinsic and Local Chromatin Features Determine Gene Repression in LADs 为题发表了他们的最新研究成果，他们发现，LADs内不同的染色质特征决定了其中启动子和增强子的活性，进而决定了相关基因的表达情况。这一工作为系统地理解抑制性染色质对基因调控的作用机制提供了一个基本的框架。

本研究主要采用了两种方法研究不同基因的启动子活性。一种是采用短时转染质粒检测启动子活性的方法，称为SuRE(Survey of Regulatory Elements)，另一种方法则是将启动子插入到不同的基因组位点的方法，称为TRIP(Thousands of Reporters Integrated in Parallel)，如图1。

图1 SuRE和TRIP研究策略

从GRO-cap(global run-on sequencing with 5’ cap selection)获得的数据可以检测基因在原来位置的活性，而SuRE的数据则代表的是将LADs中的启动子转位到一个中性不受抑制位置(inter-LAD, iLAD)后的活性，通过两者的比对，可以将LADs中的启动子分为三类：（1）受抑制启动子 (repressed LAD promoters)，即原位启动子活性远远小于中性位置启动子活性；（2）“逃脱者”(escaper LAD promoters) ，即原位启动子活性与中性位置启动子活性相似或者更高；（3）失活启动子 (inactive LAD promoters) ，即原位启动子活性与中性位置活性都没有。统计分析发现， LADs内2444个启动子中，33%的启动子是受抑制启动子，16%为逃脱者，52%为失活启动子。

接下来，研究人员发现，逃脱者启动子在物理上一般距离核纤层比较远，这也符合核纤层抑制基因表达的认识。之后，研究人员发现，逃脱者基因转录的RNA产物比iLAD基因的转录产物少，这是因为，虽然逃脱者启动子活性不受抑制，但是基因转录从起始到延伸的转换受到了抑制。进一步的研究证实，能够促进转录延伸的蛋白质c-Myc和Brd4在启动子上的结合减少，从而导致了转录延伸的抑制。

通过TRIP实验，研究人员发现，受抑制启动子在LADs内的活性比在iLADs内低很多；而逃脱者启动子的活性，在LADs和iLADs内则相差不多，持家基因PGK在LADs和iLADs内的活性基本上没有什么变化。进一步研究发现，逃脱者启动子能够抵抗LADs环境的抑制作用，并不是因为他们本身的活性比受抑制启动子更强，两类启动子活性差异仍旧归功于染色质的特征，染色质的特征能够影响他们附近的启动子的活性。

研究人员接下来分析了一种异染色质特异性修饰H3K27me3对两种启动子的影响，发现这种异染色质特征结构域能够像LADs那样抑制受抑制启动子的活性，而逃脱者启动子则不受影响，这说明LADs对启动子的活性抑制作用可能和其异染色质特征相关。

研究人员还研究了增强子在LADs中的表现，发现他们和启动子类似，其中一些活性被抑制，一些能够逃脱这种抑制作用。进一步的研究发现，逃脱者增强子中普遍富集有一种CpG双核酸结构域，这种结构域和CpG岛不同，这种结构域可能对于逃脱者增强子抵抗LADs作用有效果。另外，一些先锋转录因子 (pioneer TFs) 能够帮助逃脱者增强子克服LAD环境的抑制作用。

总之，本文的研究策略在于，强调LADs的异染色质状态是LADs能够抑制基因表达的原因，而不是物理上与核纤层的接近使基因表达受到抑制。虽然，与核纤层的接触确实能够抑制基因的表达，但是LADs的异染色质包装对于基因的抑制也有很重要的作用。未来，或许可以研究异染色质包装和核纤层接触对于基因抑制作用之间的联系。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.03.009

制版人：珂

参考文献

1.GonzalezSandoval, A., and Gasser, S.M. (2016). On TADs and LADs: spatial control over gene expression. Trends Genet. 32, 485–495.

2. Guelen, L., Pagie, L., Brasset, E., Meuleman, W., Faza, M.B., Talhout, W., Eussen, B.H., de Klein, A., Wessels, L., de Laat, W., and van Steensel, B. (2008). Domain organization of human chromosomes revealed by mapping of nuclear lamina interactions. Nature 453, 948–951.

3. Finlan, L.E., Sproul, D., Thomson, I., Boyle, S., Kerr, E., Perry, P., Ylstra, B., Chubb, J.R., and Bickmore, W.A. (2008). Recruitment to the nuclear periphery can alter expression of genes in human cells. PLoS Genet. 4, e1000039.