复旦大学王纲/于淼合作发现MED23突变通过改变染色质构象和增强子活性来调节基因表达

转录中介体( Transcriptional Mediator )控制不同的基因程序，参与各种发育和病理过程。之前的研究报道了在一个家族性智力障碍( ID )疾病中发现Mediator MED23 / R617Q突变，但其潜在机制尚不清楚。

2023年1月31日，复旦大学王纲及于淼共同通讯在Nucleic Acids Research 上在线发表题为“An intellectual disability-related MED23 mutation dysregulates gene expression by altering chromatin conformation and enhancer activities”的研究论文，该研究通过基因编辑构建的Med23 / R617Q敲入突变小鼠由于Med23 / R617Q蛋白水平显著降低而表现出胚胎致死性，但在HEK293T细胞中的R617Q突变并没有改变其表达。RNA - seq发现MED23 / R617Q突变干扰了与神经发育、学习记忆相关的基因表达。

具体来说，R617Q突变降低了ELK1和E1A的MED23依赖的活性，但上调了MAPK / ELK1驱动的早期即刻基因( IEGs ) JUN和FOS。Ch IP - seq和Hi - C分析发现，MED23 R617Q突变重新编程了一组增强子和局部染色质相互作用的子集，与相应的基因表达具有良好的相关性。重要的是，R617Q突变不改变IEGs周围的增强子和染色质相互作用，但IEGs上游阻遏子DACH1在突变细胞中表现出增强子-启动子相互作用减弱和表达降低，从而解除其对智力相关IEGs的抑制作用。总之，MED23-DACH1-IEG轴的解析为MED23 / R617Q突变对基因失调和遗传性ID的影响提供了重要的机制解释。

哺乳动物基因组在细胞核中被分割成有序的结构域，在不同的尺度上被组织成隔室、拓扑相关结构域( TADs )和染色质环。转录是由顺式或反式DNA元件、转录因子和辅助因子共同参与的高度调控过程。基因在空间和时间上的精确转录需要远端增强子在基因调控景观内与目标启动子进行动态交流。在这个过程中，增强者和促进者应该在合适的时间和地点实现物理上的接近。此外，最近的研究表明增强子在发育过程中指导谱系和阶段特异性转录的重要作；因此，增强子如何在高度维度化的染色质环境中被组织和调控成为了需要探索的重要问题之一。

中介体( Mediator )是一个庞大的、高度保守的多亚基复合物，几乎参与了RNA聚合酶II ( Pol II )转录过程的所有步骤。Mediator的基本功能是帮助招募通用转录因子和Pol II进行转录起始。信号因子和DNA结合调节因子通过中介体( Mediator )与Pol II机器进行通讯，将发育和环境信号传递给Pol II以产生各种mRNA输出。然而，中介体究竟如何控制增强子的功能并参与增强子-启动子的交流还需要更多的研究。

Mediator的MED23亚基最初在哺乳动物细胞中被鉴定为腺病毒癌蛋白E1A的靶标。近年来，体内外研究发现了MED23与RUNX2、RNA20 / 40、hn RNPL和CDK9等蛋白之间的特异性相互作用组，揭示了MED23在成脂、成骨、成肌、H2B泛素化介导的细胞命运选择、mRNA剪接和Pol II延伸。中介体亚基功能异常与人类严重疾病密切相关，在最近报道的病例中，MED23的多个错义突变被发现与家族性智力障碍( IDs )相关。MED23突变患者表现为小头畸形、言语延迟、肌张力低下、全面发育迟缓和认知缺陷。

MED23 R617Q突变对中介体完整性及伴侣转录因子转录活性的影响（图源自Nucleic Acids Research ）

在MED23的ID相关突变中，R617Q错义突变通过破坏即刻早期基因( IEGs ) FOS和JUN的表达导致精神障碍。这些IEGs对来自外界环境的刺激迅速做出反应，对神经元活动至关重要。在大脑中，IEGs首先响应各种神经元刺激，并通过调节众多下游靶基因的表达进一步影响神经元生理。IEG转录调控的破坏与多种神经系统疾病密切相关。因此，该研究通过建立携带ID相关MED23突变的小鼠和细胞系，阐明了MED23 R617Q突变失调IEG表达的潜在机制。

该研究利用CRISPR / Cas9基因组编辑工具构建ID相关的MED23 / R617Q突变小鼠和细胞系，探究其对转录调控的影响。该研究首先确定了小鼠Med23 R617Q突变导致Med23蛋白严重不稳定并导致早期胚胎致死。与小鼠相反，在人细胞系HEK293T中，R617Q突变并没有改变MED23的表达和Mediator的完整性，但降低了其结合的转录因子ELK1和E1A的转录活性。尽管如此，在MED23 R617Q突变下，ELK1、FOS和JUN的下游激活靶点出乎意料地上调。

进一步通过染色质免疫共沉淀结合高通量测序( Ch IP-seq )和Hi-C技术研究了MED23 / R617Q对增强子激活和染色质构象的影响，发现MED23 / R617Q重塑了增强子活性和染色质区域化及相互作用，这与Pol II占用和基因表达的破坏相对应。通过筛选，研究者们发现尽管FOS和JUN参与的增强子-启动子相互作用或增强子活性没有变化，但其上游抑制因子DACH1在MED23 R617Q突变下显示出显著降低的增强子-启动子接触及其增强子的活性和mRNA表达，从而解除了对FOS和JUN表达的抑制。总之，该发现为MED23致病突变提供了机制见解，并证明了Mediator在转录控制的增强子拓扑中的作用。

参考信息：

https://doi.org/10.1093/nar/gkad025

转自：“iNature”微信公众号

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