超级增强子（ super enhancers， SEs）是基因组中包含多个增强子簇的区域，并且增强子特性显著丰富。超级增强子可以是细胞类型特异性和/或疾病特异性的，并且通常与作为细胞特性和疾病进展的关键驱动因素的基因相关。超级增强子中的单个组分增强子在功能上是不同的，对超级增强子功能至关重要的组分增强子被称为hub增强子。13年理查德·杨领导的研究小组首次发表关于超级增强子的研究，表明超级增强子可以控制关键基因，赋予每个细胞本身独特的属性和功能。超级增强子不仅可以控制健康的细胞，还与病变细胞的功能与障碍调控相关，比如癌细胞的产生。对超级增强子的透彻研究，有利于进一步解析癌症的形成，以便更好地选择癌症的治疗方式。近年来，以超级增强子为研究对象的高分文章不断涌现，而且近几年国家自然科学基金的资助项目中，超级增强子相关项目数量也迅猛增长，俨然已成为当前生命科学/基础医学研究的一大热点。
2021年超级增强子相关资助项目列表
今天就给大家介绍一篇今年2月17号发表在Molecular Cell（IF：19.32）上的关于超级增强子的研究论文，这篇“Multimodal regulatory elements within a hormone-specific super enhancer control a heterogeneous transcriptional response”是由美国国家研究院表观遗传学与干细胞生物学实验室的Trevor K.Archer研究员及其团队研究发表的。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.molcel.2021.12.035
研究内容
糖皮质激素受体，易受激素刺激，通过与基因组中数千个增强子和糖皮质激素受体结合位点（GBS）相互作用来调节转录。糖皮质激素受体和雌激素受体基序在各种细胞谱系中的超级增强子中富集，包括乳腺癌细胞，超级增强子已被证明可以控制小鼠子宫中的雌激素反应。有趣的是，糖皮质激素受体通常与目标基因内和周围的GBS簇结合。例如，在U2OS骨肉瘤细胞中，在糖皮质激素受体靶基因TSC22D3（GILZ）周围发现了11个GBS，需要删除包含8个或更多GBS的基因组大区域才能消除GILZ糖皮质激素反应性。因此，对糖皮质激素的转录反应可能涉及糖皮质激素受体对超级增强子的结合和调节。
最近的研究表明，类固醇激素的转录反应是异质的。例如，在雌激素治疗的乳腺癌细胞中，TFF1基因表现出高度可变的转录动力学，一些细胞表现出快速而稳健的反应，而另一些细胞在数小时或数天内保持不活动。乳腺癌细胞中的单细胞RNA-seq显示，尽管每个经地塞米松处理的细胞都表现出转录反应，但单个细胞的反应存在很大程度的差异，平均只有∼30%的糖皮质激素受体靶基因在每个细胞中显示出反应。然而，糖皮质激素受体调节增强子活性导致转录异质性的机制仍不清楚。所以地塞米松这种激素是如何在转录反应中具有异质性的呢？
地塞米松是一种合成糖皮质激素，可以广泛用于治疗各种人类疾病，包括自身免疫障碍、哮喘、癌症和2019冠状病毒疾病。在人类细胞中，糖皮质激素暴露引发了由糖皮质激素受体介导的快速而稳健的转录反应。本文作者就主要通过地塞米松这种糖皮质激素治疗导致乳腺癌细胞中增强子景观的全基因组重组。在使用地塞米松治疗后，可以调节地塞米松受体结合的增强子活性，启动地塞米松相关的转录反应，进而导致达到乳腺癌细胞中的增强子景观的全基因组重组。
图1.地塞米松（Dex）治疗导致乳腺癌细胞中增强子景观的全基因重组模式图
1. 糖皮质激素治疗可以改变乳腺癌细胞中增强子景观
作者使用了地塞米松（Dex）或乙醇载体（EtOH或Veh）处理的H3K27ac芯片seq，作为1小时的对照，每个样品中有30000个H3K27ac峰。3763个H3K27ac峰对Veh处理的细胞具有特异性，8329个H3K27ac峰对Dex处理的细胞具有特异性（图2A）。因此，Dex处理显著增加并改变了H3K27ac在A1-2细胞基因组中的分布。在每个样品中，∼600个地区被列为SEs。对两个Veh处理或两个Dex处理样本中所称SEs增强子序列的比较表明，SEs在生物复制中的序列变化很小（图2B和2C）。然而，Veh和Dex处理的细胞之间的SE排名比较显示出显著差异（图2D）。事实上，该比较显示105个Dex增加了SEs，101个Dex丢失了SEs（图2D）。因此，Dex处理改变了增强子和超级增强子景观。
图2.糖皮质激素对超级增强子分布的改变
（A） 乙醇载体处理和1小时地塞米松处理的A1-2细胞之间H3K27ac峰组的比较。
（B–D）比较H3K27ac芯片序列实验中超级增强子的ROSE增强子排名的散点图。
可以看到糖皮质激素治疗改变了超级增强子景观。
2. 地塞米松特异性超增强子包含DDIT4和四个GBS
作者接下来为了确定Dex依赖性增强子动力学是否驱动Dex诱导的转录异质性，选择了一个代表性的Dex获得SE进行详细分析。在scRNA序列中，没有在每个细胞中检测到DDIT4（图3A）。而Dex处理的细胞显示出广泛的DDIT4反应，一些细胞诱导的DDIT4比载体高出10倍以上，而大多数细胞诱导的DDIT4达到中等水平（图3A）。而单分子荧光原位杂交（smFISH），尽管smFISH比scRNA-seq敏感得多，但两种分析都提供了整个细胞群体中DDIT4 RNA/细胞相对数量的相似图谱（图3D和3E）。在这两种试验中，65%的细胞经Dex处理1-8小时后，DDIT4对Dex的反应上调（图3F）。因此，scRNA-seq和smFISH独立证明DDIT4对Dex表现出异质性转录反应。因此，DDIT4是研究GR调节增强子动力学在Dex转录反应中的作用的一个有吸引力的靶点。
由于对Dex的转录反应是由整个基因组中GBSs处的GR染色质相互作用介导的，为了研究GR与这些GBS结合的动力学，作者在DDIT4转录起始位点（TSS）上游19、20、25和30 kb的位点发现了四个GR芯片序列峰（图4A）。H3K27ac在DDIT4 TSS周围高度富集，并且基本不受Dex处理的影响（图4B）。在溶媒处理的细胞中，在GBS2、GBS3和其他区域观察到H3K27ac富集水平较低∼13 kb上游(−13 kb）的DDIT4 TSS（图4B和4C）。Dex处理1小时后，H3K27ac的富集在−13 kb区域和GBS4，覆盖率峰值超过GBS1、2和3（图4B和4C）。在GBS3上游，Dex诱导的H3K27ac逐渐减弱，在GBS4之外检测到相对较少的富集（图4B和4C）。因此，GBSs周围的染色质代表DDIT4 SE内的Dex诱导区。这些结果共同表明了地塞米松特异性超增强子包含DDIT4和四个GBS。
图3.地塞米松诱导DDIT4转录的异质性
图4. 地塞米松可以诱导DDIT4超增强子激活
3. 每个结合位点都是促进或抑制DDIT4表达所唯一需要的
作者通过在生物三重序列中进行了染色体确认捕获（4C-seq），专注于DDIT4 SE区域揭示了GBSs上染色质相互作用中一致的Dex依赖性增益（图5A，蓝线）。最强的Dex富集发生在GBS3上，Dex富集的相互作用在GBS4处停止（图5A，蓝线）。因此，Dex处理促进了DDIT4 TSS与GBS的相互作用，从而增强了DDIT4的转录。
从DDIT4 TSS的角度出发对每个eKO细胞系进行4C-seq分析，以确定这些相互作用是否需要任何GBS。作者发现所有四种GBS EKO都减少了TSS和GBS周围区域之间依赖于Dex的相互作用（图5B）。所有四个GBS都需要用于TSS和DDIT4诱导所需的GBS之间的Dex依赖性染色质相互作用（图5B）。GBS1、2和3周围的区域参与双向相互作用，Dex治疗促进与GBS4相互作用的丧失，有利于与DDIT4 TSS获得相互作用（图5C，5D，5E）。这些结果共同表明了GBS1、GBS2和GBS3需要作为DDIT4转录的增强子来响应Dex。
图5. DDIT4 TSS和GBS之间的通过动态染色质循环建立联系。
4. 地塞米松处理触发循环转换机制，诱导DDIT4转录
最后，作者为了探索GBSs调节DDIT4转录的潜在机制，对每个EKO中的DDIT4成熟转录进行了smFISH（图6A和6B）。eKOs对Veh处理细胞中DDIT4成熟转录物的水平没有显著影响，而在Dex处理4小时后，GBS1 eKO、GBS2 eKO和GBS3 eKO细胞的DDIT4成熟转录物数量显著减少（图6C）。在Dex处理的GBS1 eKO和GBS2 eKO细胞中，具有活性TSs的细胞比例显著降低相反，经Dex处理的GBS4 eKO细胞具有活性TSs的细胞显著增加，DDIT4转录激活的异质性由DDIT4超增强子内GBSs的活性决定（图6D）。GBS4 eKO对突发大小没有影响（图6E），这表明GBS4调制了TS激活的频率。GBS1 eKO、GBS2 eKO和GBS3 eKO细胞的应答率显著降低，其中GBS1 eKO和GBS2 eKO的应答率降低幅度最大（图6F）。综上所述，这些实验表明，DDIT4超增强子的组成部分GBS通过不同的有时是相反的机制调节DDIT4的转录，这些机制包括组蛋白乙酰化、染色质环以及转录爆发频率和幅度的调节。任何一种GBS的缺失都会导致DDIT4的诱导延迟，并且局部Dex诱导的H3K27ac和染色质环与DDIT4 TSS的减少。然而，它们各自表现出不同的特征和作用机制。因此，GBSs 1、2和3作为Dex依赖的增强子，具有与DDIT4 TSS协同作用以促进转录的独特作用机制。
图6. GBS缺失会改变DDIT4转录动力学。
在此，作者研究了糖皮质激素受体结合对增强子动力学的影响，并研究了单个GBS对激素反应的贡献。激素治疗导致乳腺癌细胞增强子景观的全基因组重组。在DDIT4癌基因上游，糖皮质激素受体与构成激素依赖性超增强子的四个位点结合。需要三种GBS作为激素依赖性增强子，它们差异促进组蛋白乙酰化、转录频率和爆发大小。相反，第四个位点抑制了转录，激素治疗减轻了这种抑制。超级增强子内的糖皮质激素受体结合促进了循环切换机制，允许DDIT4 TSS与活性GBS相互作用。每个糖皮质激素受体结合位点的独特功能有助于激素诱导的转录异质性，并证明了癌基因表达的靶向调节潜力。
转自：学术查
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