研究人员揭示发育过程中非编码增强子转录与基因活性的动态相互作用

增强子是一类调控DNA，在发育过程中控制基因表达的空间和时间特异性。定量成像和单细胞转录组分析表明，增强子主要用于驱动靶基因从头合成RNA 的连续爆发。最近的全基因组研究表明，基因间调控区的非编码转录是多细胞生物基因组的普遍特征。其中，非编码增强子转录被认为是跨物种保守的广泛机制，通常用作识别基因组中活性增强子的标志。

虽然迄今为止已经提出了多种模型来解释增强子转录的分子功能，但大多数模型源于对培养细胞异质群体的批量和固定分析，并且在单细胞水平上直接联系非编码增强子转录和基因活性的研究很少。多细胞生物体中非编码增强子转录的实时可视化一直具有挑战性，这阻碍了阐明它如何影响动物发育过程中基因表达的时间动态。目前迫切需要开发一种新的实验框架，使人们能够精确地调节基因间非编码转录模式，并定量观察其对活体多细胞生物基因活性的功能影响。

近日，东京大学定量生命科学研究所的研究人员在Nature Communications上发表了题为“Dynamic interplay between non-coding enhancer transcription and gene activity in development”的研究论文，研究人员设计了一个MS2/PP7实时成像系统，该系统可以同时显示发育中的果蝇胚胎的基因活性和基因间非编码转录。定量图像分析显示，RNA Pol Ⅱ在增强子内部核心区的延伸导致连锁基因的转录爆发受到抑制。超分辨率成像和基因组编辑分析进一步表明，增强子转录可拮抗转录因子的分子拥挤，从而中断基因位点转录中枢的形成。研究还表明，某些发育增强子在结构上经过优化，可以有效地与非编码转录共同激活基因转录。研究人员认为，在发育过程中，增强子的功能可以通过周围非编码转录调控中枢的形成来灵活地调节。

研究人员采用最近开发的MS2/PP7双色实时成像方法，在单细胞分辨率下检测果蝇基因非编码转录和基因活性。研究人员试确定非编码增强子转录的出现如何影响活胚胎中相关MS2报告基因的表达谱，对结果可视化的定量分析表明，无论增强子-启动子距离如何，非编码增强子转录都可以发挥其抑制功能。Inr突变后增强子转录水平降低。相反，MS2报告基因的爆发图谱和转录输出在该基因组配置中部分恢复。这些结果与非编码基因间转录可以以活性依赖性方式灵活调节增强子功能的观点一致。

此后研究人员设计一种报告菌株探究非编码增强子转录的转录衰减机制，发现串联方向驱动增强子转录时，仅观察到PP7活性的细微增加。与缺乏基因间TSS的原始报告基因座相比，串联报告基因座中MS2转录的总输出仍低超过70%。这些结果表明转录通读或Pol Ⅱ碰撞不是本研究中转录衰减的主要来源。

为验证增强子内部核心区域的Pol Ⅱ延伸是限制它们从连锁基因诱导转录爆发的能力的原因。研究人员通过在向内方向添加最少的核心启动子元件，将向外方向驱动非编码转录的单向TSS转换为双向TSS。发现在这个合成位点存在双向TSS的情况下，MS2转录开始被强烈再抑制。因此，基因间非编码转录相对于附近增强子的方向性是其在发育胚胎中调节输出的关键决定因素。

后续研究人员通过影像学研究发现基因间非编码转录通过影响胚胎发育中转录中枢的形成和功能来调节增强子活性。研究还表明，某些发育增强子在结构上经过优化，可以有效地与非编码转录共同激活基因转录。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-36485-1

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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