Nature | 生物物理所揭示重复序列Alu增强子-启动子的配对选择特异性

7月12日，中国科学院生物物理研究所薛愿超团队在Nature上，在线发表了题为Complementary Alu sequences mediate enhancer-promoter selectivity的研究论文。

转录调控在维持细胞功能和正常发育过程中起着关键作用。其中，增强子（enhancer）作为调控基因转录的重要元件，往往需要通过远距离染色质环化与目标启动子（promoter）相互作用，从而决定基因的时空表达特异性。这一过程参与细胞命运的决定，并在多种疾病的发生发展中扮演着重要角色。增强子能够精确地选择需要激活的目标启动子，以准确调节特定基因的转录时间和转录水平。然而，增强子和启动子配对选择的特异性是如何实现的依然是未解之谜。

为了解决这一关键科学问题，薛愿超团队利用实验室此前开发的RNA原位构象测序技术RIC-seq，系统捕获了增强子RNA（eRNA）和启动子来源的非编码RNA（uaRNA或PROMPTs）之间的相互作用，并构建了高分辨率增强子-启动子RNA互作（EPRI）图谱。与传统的染色质构象捕获技术如Hi-C、HiChIP、ChIA-PET等不同，RIC-seq技术可直接鉴定增强子和启动子非编码RNA之间的空间互作位点，并据此推导增强子-启动子的链接网络，因此在解析增强子-启动子互作的序列特征方面具有更高的分辨率。

基于EPRI图谱，该研究发现增强子与启动子之间的配对选择特异性受到基因组重复序列Alu的调控。Alu序列是哺乳动物尤其是人类基因组中广泛分布的重复元件。研究发现，增强子和启动子RNA中的Alu序列充当了增强子-启动子之间相互交流的中介，并通过多种实验证明增强子RNA和启动子RNA中反向互补的Alu序列可通过碱基配对形成RNA双链，从而决定增强子-启动子的配对选择特异性。这揭示了Alu在基因表达调控中的新机制，并为探究增强子和启动子非编码RNA在转录激活的功能提供了新视角。

此外，研究人员通过将非编码区突变映射到增强子-启动子RNA互作（EPRI）图谱，构建了"突变-功能"图谱，系统地注释了非编码突变（尤其是Alu元件的删除和插入）影响的靶标基因，为探究疾病发生提供了宝贵资源。研究进一步发现，位于Alu元件中的突变可能会影响众多蛋白质编码基因的转录，从而对细胞命运产生重要影响。例如，癌基因PTK2增强子中的多态性Alu元件删除能够显著降低癌细胞增殖和侵袭能力，这为Alu元件突变与癌症易感性之间的关联提供了重要线索。

该研究从非编码RNA的角度上揭示了增强子-启动子配对选择特异性的原则，并将非编码风险变异与其分子功能联系起来，为探索基因转录调控的分子机制以及疾病发生发展提供了新范式。

"增强子-启动子互作图谱"以及"突变-功能图谱"构建

Abstract

Enhancers determine spatiotemporal gene expression programs by engaging with long-range promoters. However, it remains unknown how enhancers find their cognate promoters. We recently developed a RNA in situ conformation sequencing technology to identify enhancer–promoter connectivity using pairwise interacting enhancer RNAs and promoter-derived noncoding RNAs. Here we apply this technology to generate high-confidence enhancer–promoter RNA interaction maps in six additional cell lines. Using these maps, we discover that 37.9% of the enhancer–promoter RNA interaction sites are overlapped with Alu sequences. These pairwise interacting Alu and non-Alu RNA sequences tend to be complementary and potentially form duplexes. Knockout of Alu elements compromises enhancer–promoter looping, whereas Alu insertion or CRISPR–dCasRx-mediated Alu tethering to unregulated promoter RNAs can create new loops to homologous enhancers. Mapping 535,404 noncoding risk variants back to the enhancer–promoter RNA interaction maps enabled us to construct variant-to-function maps for interpreting their molecular functions, including 15,318 deletions or insertions in 11,677 Alu elements that affect 6,497 protein-coding genes. We further demonstrate that polymorphic Alu insertion at the PTK2 enhancer can promote tumorigenesis. Our study uncovers a principle for determining enhancer–promoter pairing specificity and provides a framework to link noncoding risk variants to their molecular functions

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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