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Science | 重大发现!增强子调控法则被揭示:序列不同,但可以在不同物种起相似功能

在动物中,基因调控网络在时空上决定细胞身份。这些网络中基因的转录由称为增强子的一类顺式调控元件调控,该元件包含被转录因子(TF)识别的短(约10个碱基对)DNA序列基序。与TF的历史很大程度上可追溯至动物界或更早的起源相反,增强子的起源和进化相对难以辨别。

2020年10月6日,澳大利亚昆士兰大学Emily S. Wong等人在Science 在线发表题为“Deep conservation of the enhancer regulatory code in animals”的研究论文,该研究发现,存在于海绵微同线区域的增强子驱动斑马鱼和小鼠胚胎中细胞类型特异性基因表达的一致模式。尽管这些海绵增强子与脊椎动物没有明显的序列同一性,但具有较强的H3K4me1增强子信号。该研究从进化距离较远的海洋海绵中使用增强子驱动了斑马鱼和小鼠的发育转录。这些海绵增强子中的一些位于高度保守的微同线区域,包括在Islet-Scaper区域的胰岛增强子。 

总之,该研究发现人类和小鼠的胰岛增强子与海绵共享一组TF结合基序,并且它们驱动的基因表达模式类似于海绵及斑马鱼的内源性胰岛增强子。 该研究结果表明,存在古老而又保守但灵活的基因组调控法则,该法则已被反复纳入整个动物界特定于细胞类型的基因调控网络中。


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后生动物的发育和细胞类型的多样性需要基因组编码信息网络。这些基因调节网络由DNA区域(启动子和增强子)组成,这些区域包含与转录因子(TF)结合的短序列基序[<10个碱基对]。尽管位于基因转录起始位置附近的启动子和近端增强子早于动物的出现,但以H3K4me1或H3K27ac标记的远端增强子似乎是后生动物的创新。

组织和细胞类型基因表达谱在密切相关的物种(例如哺乳动物)中高度保守。但是,控制基因表达的增强子似乎在很大程度上是物种特异性的,TF结合位点的进化速度比它们相互作用的TF和调控的基因快。 

TF-DNA结合事件的基因组位置在哺乳动物(例如人和小鼠)之间高度不同,并且是人与人之间结合差异的主要来源。例如,在胚胎干细胞中使用的已知TF结合位点中,只有约5%在人与小鼠之间是保守的,而在哺乳动物基因组中只有1%的人类组织特异性增强子是保守的。在更大的进化距离上增强子的相似性更加罕见。在Bilateria及其姐妹血缘Cnidaria之间,仅发现了一个保守的增强子。因此,尽管TF家族在整个动物界都高度保守,但泛后生动物增强子似乎很少,有待描述。

动物基因组中共线区域的保护归因于增强子和其他调控元件的施加限制。这些保守的共线区域通常位于人类基因组的拓扑关联域(TAD)内,包含顺式调节块,其中控制一个基因表达的增强子位于共线区域的另一个基因中。在后生动物中已鉴定出近600个保守基因对(微同线区域),包括脊椎动物和节肢动物,其中海洋海绵的基因组中报道了60至80个,该物种代表了现存最古老的谱系之一。微同线区域内的基因分为两种类型:“旁观者”基因,其具有调节“靶标”基因表达的增强子,“靶标”基因本身通常是发育调控基因。由于这些非编码序列的快速进化,位于旁观者基因中的保守靶基因增强子在很大程度上未表征。

该研究发现,存在于海绵微同线区域的增强子驱动斑马鱼和小鼠胚胎中细胞类型特异性基因表达的一致模式。尽管这些海绵增强子与脊椎动物没有明显的序列同一性,但具有较强的H3K4me1增强子信号。该研究从进化距离较远的海洋海绵中使用增强子驱动了斑马鱼和小鼠的发育转录。这些海绵增强子中的一些位于高度保守的微同线区域,包括在Islet-Scaper区域的胰岛增强子。 

该研究发现人类和小鼠的胰岛增强子与海绵共享一组TF结合基序,并且它们驱动的基因表达模式类似于海绵及斑马鱼的内源性胰岛增强子。 该研究结果表明,存在古老而又保守但灵活的基因组调控法则,该法则已被反复纳入整个动物界特定于细胞类型的基因调控网络中。


参考消息:
https://science.sciencemag.org/content/370/6517/eaax8137



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