Cell ：首个泛癌可变启动子基因表达调控图谱发布

来源：BioArt

在基因表达调控的多个层级中，转录调控无疑具有核心地位。在这一过程中，位于基因转录起始位点上游的启动子，因具有整合各类反式作用因子（如转录因子）和表观调控因子的调节效应从而以特定强度和效率起始转录过程的能力，被公认为极为关键的基因表达转录调节者。早在2006年，第一项对哺乳动物启动子的全基因组研究就揭示了大多数基因都受到多个启动子调控的事实【1】。近来年，多项利用CAGE标签或H3K4me3免疫共沉淀对肿瘤发生发展过程中启动子活性变化的研究表明可变启动子（alternative promoters）可能在肿瘤特异基因表达的调控方面扮演了相当重要的作用【2,3】。然而，受限于大规模运用以上启动子活性检测技术的难度，在泛癌水平上全面探究可变启动子的功能角色一直未能实现。

2019年9月5日，来自新加坡基因组研究所（GIS）的Jonathan Göke教授在Cell杂志上发表文章A Pan-Cancer Transcriptome Analysis RevealsPervasive Regulation through Alternative Promoters，利用TCGA、PCAWG和GTEx等共包含一万八千多个样本的大规模转录组测序数据集间接推测了基因启动子的激活程度，从而绘制了首个泛癌水平的可变启动子基因表达调控图谱。

基于启动子激活程度可由经其启动表达的转录本的相对丰度表征的假设，作者采用类似一般定量转录本表达水平的方法，利用转录组测序数据中跨越非目标转录本的上游内含子和目标转录本的首位外显子的测序片段的分布信息，推导出控制同一基因的不同转录本的可变启动子的激活程度。对前述三个大型数据集的约两万个样本的全基因组启动子活性的全面检测得出30%左右的可变启动子为主要启动子，另有9%的可变启动子居次要地位，而多达61%的启动子几乎不具有可检测的激活水平。

为了验证上述基于基因表达间接推测启动子活性的方法的可靠程度，作者将其所得之结果与依赖H3K4me3 ChIP-seq和CAGE标签进行的启动子激活程度直接测量得到的结果进行对比，发现上述间接测量方法具有很好的区分主要可变启动子和次要可变启动子的能力。

为了寻找与肿瘤发生可能具有潜在关联的可变启动子事件，作者利用肿瘤样本和与之配对的正常组织样本进行可变启动子活性的比较。结果发现，在整体上，一类肿瘤所具有的启动子激活模式与其对应组织来源的正常样本的启动子激活模式最为接近。不过，仍有大量可变启动子的活性在正常组织向肿瘤发展的过程中产生了显著变化，其中不少基因均为已知的癌症分子标志。例如，细胞周期调控关键基因CDK4的二号启动子尽管在在肾细胞癌和正常肾脏样本中均为主要启动子，但其一号启动子的活性则在癌症中丢失，暗示了这一事件与肾细胞癌发生的联系。

另外，作者还分析了可变启动子激活程度与癌症患者预后的关联。结果发现，一个基因的可变启动子的激活程度对患者预后的预测效应往往与同一基因的表达水平的预测效应不尽相同。并且，在拥有多个可变启动子的基因中，不同启动子对患者预后的效应也具有相当程度的差异。例如编码HER2蛋白的基因ERBB2在低分级脑胶质瘤具有两个可变启动子，但只有2号启动子的激活程度对预后具有显著预测能力。作者进一步分析发现，ERBB2的2号启动子在低分级脑胶质瘤中的激活与TP53和IDH1的错义突变具有显著互斥效应，而与EGFR和PTEN的错义突变具有显著共存效应。这一结果建立起了肿瘤发生中关键基因体细胞突变与可变启动子激活的关联，无疑为肿瘤细胞进化的机制提供了一项全新的观点。

总之，该项研究基于可靠的启动子活性测量方法和大规模泛癌数据集的支撑，全面地揭示了可变启动子事件在各类组织来源的正常和肿瘤环境中的分布状况，及其与基因表达调控的其它层级，包括可变剪接、转录因子结合和基因突变等的联系。同时，通过对肿瘤特异可变启动子事件进行检索，作者也为癌症的发生发展机制提供了一条独立于基因表达的全新线索。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.08.018

参考文献

1. Carninci, P. et al.Genome-wide analysis of mammalian promoter architecture and evolution. Nat.Genet. (2006). doi:10.1038/ng1789

2. Hashimoto, K. et al.CAGE profiling of ncRNAs in hepatocellular carcinoma reveals widespreadactivation of retroviral LTR promoters in virus-induced tumors. Genome Res.(2015). doi:10.1101/gr.191031.115

3. Muratani, M. et al.Nanoscale chromatin profiling of gastric adenocarcinoma revealscancer-associated cryptic promoters and somatically acquired regulatoryelements. Nat. Commun. (2014). doi:10.1038/ncomms5361