趙 磊，康曉龍

(寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，銀川 750021)

增強(qiáng)子(enhancer)最早發(fā)現(xiàn)于家兔β-珠蛋白(β-globin)的轉(zhuǎn)錄研究中[1]，之后在小鼠[2]等物種的基因組中得以證實(shí)。隨著研究的進(jìn)一步深入，人們發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)子作為一種順式作用的DNA調(diào)控元件，能遠(yuǎn)距離、無(wú)方向性地增加靶基因的轉(zhuǎn)錄輸出，從而影響細(xì)胞的發(fā)育分化[3-7]。隨著后基因組時(shí)代的到來(lái)，人類對(duì)于基因組和增強(qiáng)子的認(rèn)識(shí)日益加深，在此基礎(chǔ)上Whyte等[8]于2013年首先提出了超級(jí)增強(qiáng)子的概念。此后,關(guān)于超級(jí)增強(qiáng)子的多項(xiàng)研究均表明了超級(jí)增強(qiáng)子在基因表達(dá)調(diào)控中的重要性[9]，因此，本文通過(guò)歸納超級(jí)增強(qiáng)子調(diào)控基因表達(dá)的生物學(xué)作用與主要應(yīng)用，以期為后續(xù)開(kāi)展超級(jí)增強(qiáng)子在動(dòng)物重要表型調(diào)控中的分子作用研究提供參考與思路。

1 超級(jí)增強(qiáng)子及其特性

超級(jí)增強(qiáng)子(super enhancer,SE)的提出是基于對(duì)增強(qiáng)子的研究。2013 年，研究人員發(fā)現(xiàn)胚胎干細(xì)胞(embryonic stem cells，ESC)的主要轉(zhuǎn)錄因子在大多數(shù)控制多能性的基因上形成了不尋常的增強(qiáng)子域，將其定義為超級(jí)增強(qiáng)子[8]。其相對(duì)于普通增強(qiáng)子的特性主要包括以下幾點(diǎn)(圖1)：1)超級(jí)增強(qiáng)子的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合程度顯著高于普通增強(qiáng)子，其相關(guān)基因的表達(dá)水平更高；2)超級(jí)增強(qiáng)子相對(duì)于普通增強(qiáng)子DNaseI超敏反應(yīng)增加；3)超級(jí)增強(qiáng)子具有高密度的組蛋白H3K4me1和H3K27ac修飾，為高密度的Mediator、p300 等輔助因子所占據(jù)；4)一些轉(zhuǎn)錄因子水平的降低對(duì)超級(jí)增強(qiáng)子相關(guān)基因表達(dá)的影響大于普通增強(qiáng)子[10-11]；5)超級(jí)增強(qiáng)子自身能轉(zhuǎn)錄出大量的增強(qiáng)子RNA，且擁有更大密度的RNA聚合酶Ⅱ[12-13]。與普通的增強(qiáng)子相比，超級(jí)增強(qiáng)子內(nèi)的單個(gè)組分增強(qiáng)子具有提高轉(zhuǎn)錄激活水平的作用[8]，同時(shí)有證據(jù)表明，超級(jí)增強(qiáng)子內(nèi)的組分增強(qiáng)子之間存在加性或協(xié)同作用，在基因調(diào)控中具有非冗余功能，而組分增強(qiáng)子的缺失可能會(huì)損害其他超級(jí)增強(qiáng)子組分的活性，最終導(dǎo)致整個(gè)超級(jí)增強(qiáng)子功能障礙[14-17]。隨著超級(jí)增強(qiáng)子的發(fā)現(xiàn)，另一種能夠維持細(xì)胞身份(cell identity)類型的轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)子也被發(fā)現(xiàn)。Parker等[18]在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)一種大小在3 kb以上且具有增強(qiáng)子特征的較大基因組區(qū)域，將其定義為延伸增強(qiáng)子(stretch enhancer)。超級(jí)增強(qiáng)子和延伸增強(qiáng)子都代表一類轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)子，均被證明可以控制細(xì)胞身份基因的表達(dá)，并攜帶與疾病特質(zhì)相關(guān)的變異。不同的是，超級(jí)增強(qiáng)子是根據(jù)主轉(zhuǎn)錄因子、染色質(zhì)調(diào)節(jié)因子或染色質(zhì)標(biāo)記的結(jié)合占位而定義的增強(qiáng)子簇，比后者具有更高的轉(zhuǎn)錄活性和細(xì)胞類型特異性[19]。

圖1 超級(jí)增強(qiáng)子的結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of the super enhancers

2 超級(jí)增強(qiáng)子的鑒定

超級(jí)增強(qiáng)子的鑒定是依據(jù)增強(qiáng)子轉(zhuǎn)錄活性標(biāo)記分子結(jié)合水平強(qiáng)度的差異，這些分子包括輔因子(如Mediator和Cohesin)、組蛋白修飾標(biāo)記(如 H3K27ac和H3K4me1)、染色質(zhì)修飾分子(如p300)及BET家族蛋白(BRD4)[8,10]。當(dāng)前超級(jí)增強(qiáng)子的鑒定主要通過(guò)染色質(zhì)免疫沉淀測(cè)序(Chromatin immunoprecipitation followed by high-throughput sequencing,ChIP-seq)，主要包括3個(gè)步驟(圖2A)：1)識(shí)別活性增強(qiáng)子位點(diǎn)；2)縫合增強(qiáng)子；3)確定超級(jí)增強(qiáng)子與普通增強(qiáng)子之間的閾值[20]。首先，利用ChIP-seq檢測(cè)與活性增強(qiáng)子相關(guān)的因子或組蛋白修飾，如轉(zhuǎn)錄因子、轉(zhuǎn)錄共激活因子(Mediator、p300等)以及組蛋白修飾(H3K27ac、H3K4me1)；其次，將所得增強(qiáng)子進(jìn)行縫合。研究人員將相互連接于12.5 kb范圍內(nèi)的增強(qiáng)子定義為一個(gè)單一實(shí)體，即縫合增強(qiáng)子(stitched enhancer)；最后，通過(guò)計(jì)算不同增強(qiáng)子區(qū)域Med1的ChIP-seq信號(hào)水平[21]，對(duì)縫合增強(qiáng)子和其余的單個(gè)增強(qiáng)子進(jìn)行排序，以獲得結(jié)果曲線并確定閾值(圖2B)，以此區(qū)分超級(jí)增強(qiáng)子與普通增強(qiáng)子。近年來(lái)，研究者通過(guò)各種方法進(jìn)行超級(jí)增強(qiáng)子的鑒定，如染色體構(gòu)象捕獲技術(shù)3C(chromosome conformation capture)[22]及其拓展技術(shù)4C(circular chromosome conformation capture)[23]、5C(chromosome conformation capture carbon copy)[24]以及Hi-C(High-through chromosome conformation capture)[25]等。

A.超級(jí)增強(qiáng)子的鑒定流程圖；B.根據(jù)ChIP-seq 富集信號(hào)強(qiáng)度對(duì)增強(qiáng)子進(jìn)行排序，確定閾值從而鑒定出超級(jí)增強(qiáng)子A.Flow chart for identification of super enhancers;B.Ranking of enhancers based on ChIP-seq enrichment signal strength and determination of thresholds to identify super enhancers圖2 超級(jí)增強(qiáng)子的鑒定Fig.2 Identification of super enhancers

3 超級(jí)增強(qiáng)子的作用方式

3.1 超級(jí)增強(qiáng)子的基本調(diào)控機(jī)制

在真核生物中，增強(qiáng)子-啟動(dòng)子的相互作用是基因轉(zhuǎn)錄的重要環(huán)節(jié)。超級(jí)增強(qiáng)子作為基因轉(zhuǎn)錄過(guò)程中的正調(diào)節(jié)因子，在基因轉(zhuǎn)錄過(guò)程中扮演著重要角色，對(duì)基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用緊密依賴于其靶向轉(zhuǎn)錄因子、輔助因子和介質(zhì)的募集，以及增強(qiáng)子-啟動(dòng)子相互作用的形成[26]，這是超級(jí)增強(qiáng)子作為細(xì)胞中的一種三維結(jié)構(gòu)體系調(diào)控啟動(dòng)子的作用模型，也與以往的多數(shù)研究結(jié)果相符。超級(jí)增強(qiáng)子作為一個(gè)大的增強(qiáng)子簇，它所包含的每個(gè)組分增強(qiáng)子，均可獨(dú)立結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子、輔助因子，共同調(diào)控同一啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄活性，因此超級(jí)增強(qiáng)子的基本調(diào)控機(jī)制也依賴于其組分增強(qiáng)子的功能，最終通過(guò)增強(qiáng)子和啟動(dòng)子間的互作發(fā)揮功能。大量研究發(fā)現(xiàn)，增強(qiáng)子與啟動(dòng)子之間的相互作用是隨著基因表達(dá)而建立的，但無(wú)法理清增強(qiáng)子與啟動(dòng)子的接觸是基因激活的原因還是結(jié)果。對(duì)此有研究表明，增強(qiáng)子和啟動(dòng)子之間的物理接觸傳遞了轉(zhuǎn)錄過(guò)程所需的相關(guān)調(diào)控信息[27]；另有研究結(jié)果表明，誘導(dǎo)小鼠β-珠蛋白(β-globin)啟動(dòng)子與其位點(diǎn)控制區(qū)域增強(qiáng)子接觸，會(huì)導(dǎo)致Hbb基因極顯著的轉(zhuǎn)錄激活，即使在缺乏關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子GATA1的情況下也是如此，直接證明增強(qiáng)子-啟動(dòng)子互作可以誘導(dǎo)基因轉(zhuǎn)錄[28]。在增強(qiáng)子和啟動(dòng)子互作過(guò)程中，拓?fù)潢P(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)域(topologically assocaited domain，TAD)起到重要作用。TAD是一種首先發(fā)現(xiàn)于哺乳動(dòng)物細(xì)胞中的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)單元[29]，是真核生物基因組的基本成分[30]。多種證據(jù)表明，TAD的邊界能起到絕緣體的作用，防止不適當(dāng)?shù)脑鰪?qiáng)子-啟動(dòng)子相互作用。對(duì)此，相關(guān)研究能夠證明：結(jié)構(gòu)蛋白為T(mén)AD構(gòu)建染色質(zhì)并充當(dāng)邊界[31-32]，而超級(jí)增強(qiáng)子邊緣又廣泛檢測(cè)到結(jié)構(gòu)蛋白[33]，由此確定CTCF(CCCTC binding factor，在多種病毒中調(diào)控轉(zhuǎn)錄的蛋白)是TAD和超級(jí)增強(qiáng)子的邊界。例如在T細(xì)胞急性淋巴細(xì)胞白血病(T-All)中，當(dāng)CTCF介導(dǎo)的絕緣體缺失時(shí)，相關(guān)TAD融合，導(dǎo)致超級(jí)增強(qiáng)子與MYC基因啟動(dòng)子之間的異常接觸，致使癌基因表達(dá)上調(diào)[34]。一項(xiàng)有關(guān)超級(jí)增強(qiáng)子在乳腺癌中異常調(diào)控的研究顯示，關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子RUNX3占據(jù)調(diào)控RCAN1.4基因表達(dá)的遠(yuǎn)端超級(jí)增強(qiáng)子，該轉(zhuǎn)錄因子在乳腺癌中的低表達(dá)，致使該超級(jí)增強(qiáng)子驅(qū)動(dòng)異常，從而導(dǎo)致RCAN1.4表達(dá)減少。在進(jìn)一步探討RCAN1.4基因在癌組織中低表達(dá)的可能原因時(shí)，發(fā)現(xiàn)RCAN1.4的核心啟動(dòng)子區(qū)和遠(yuǎn)端超級(jí)增強(qiáng)子區(qū)存在于同一個(gè)TAD[35]，一定程度反映了TAD與超級(jí)增強(qiáng)子在調(diào)控機(jī)制上的關(guān)聯(lián)性?？偠灾?，在不同的研究背景下，TAD對(duì)超級(jí)增強(qiáng)子的影響機(jī)制不盡相同，但似乎都能表明超級(jí)增強(qiáng)子可能需要依賴于特定的TAD來(lái)實(shí)現(xiàn)一些轉(zhuǎn)錄激活的功能。

3.2 超級(jí)增強(qiáng)子介導(dǎo)非編碼RNA調(diào)控靶基因表達(dá)

非編碼RNA(non-coding RNA)是指不翻譯成多肽的一類RNA，越來(lái)越多的證據(jù)表明非編碼RNA在劑量補(bǔ)償、細(xì)胞分化、細(xì)胞增殖、組織再生和適應(yīng)性免疫等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用[36-37]。近期的研究表明，超級(jí)增強(qiáng)子不僅激活編碼基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)直接調(diào)節(jié)生物功能，還通過(guò)驅(qū)動(dòng)非編碼RNA的轉(zhuǎn)錄表達(dá)間接調(diào)節(jié)生物功能。一方面，它們能促進(jìn)小RNA(microRNA，miRNA)和長(zhǎng)鏈非編碼RNA(long noncoding RNA，lncRNA)的轉(zhuǎn)錄和成熟；另一方面，超級(jí)增強(qiáng)子本身的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物eRNA(enhancer RNA,eRNA)在調(diào)控基因表達(dá)方面也起著協(xié)同作用。這些非編碼RNA主要包括miRNA、lncRNA、環(huán)狀RNA(circRNA)和增強(qiáng)子RNA(eRNA)[38]。

miRNA是最早被識(shí)別的非編碼RNA[39-40]，Suzuki等[41]報(bào)道了超級(jí)增強(qiáng)子是組織特異性miRNA網(wǎng)絡(luò)的核心，通過(guò)調(diào)節(jié)miRNA的產(chǎn)生影響多種腫瘤的進(jìn)展。其實(shí)質(zhì)是超級(jí)增強(qiáng)子通過(guò)增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄，促進(jìn)DROSHA/DGCR8招募和初級(jí)轉(zhuǎn)錄物(pri-miRNA)加工來(lái)驅(qū)動(dòng)對(duì)細(xì)胞身份至關(guān)重要的主要miRNA的生物發(fā)生過(guò)程，之后再由miRNA調(diào)控相應(yīng)的靶基因，從而實(shí)現(xiàn)超級(jí)增強(qiáng)子通過(guò)miRNA間接調(diào)控靶基因表達(dá)的過(guò)程。例如Ng等[42]發(fā)現(xiàn)，超級(jí)增強(qiáng)子通過(guò)miR-32抑制靶基因Tob1活性來(lái)上調(diào)FGF21分泌因子的表達(dá)，進(jìn)而激活p38/MAPK信號(hào)通路，促進(jìn)小鼠棕色脂肪組織的發(fā)生和白色脂肪褐變。超級(jí)增強(qiáng)子通常驅(qū)動(dòng)組織特異性基因的高水平表達(dá)，包括具有進(jìn)化保守的細(xì)胞類型特異性功能的miRNA基因。Sin-Chan等[43]報(bào)道了一種超級(jí)增強(qiáng)子衍生的大型miRNA簇C19MC，C19MC可被TTYH1通過(guò)其上游的超級(jí)增強(qiáng)子區(qū)域調(diào)控，過(guò)表達(dá)的C19MC驅(qū)動(dòng)多層菊形團(tuán)胚胎性腫瘤(embryonal tumorswith multilayered rosettes，ETMRs)中的C19MC -lin28a -mycn回路，促進(jìn)ETMR細(xì)胞的生長(zhǎng)；同時(shí)，Anandagoda等[44]發(fā)現(xiàn)，在調(diào)節(jié)性T細(xì)胞中，轉(zhuǎn)錄因子FoxP3可與pri-miR-142的超級(jí)增強(qiáng)子區(qū)域結(jié)合，促進(jìn)其轉(zhuǎn)錄，從而抑制其下游靶基因PDE3b的表達(dá)。這些結(jié)果提示，超級(jí)增強(qiáng)子在基因表達(dá)調(diào)控中與miRNA存在密切的互作關(guān)系，從而在靶基因的轉(zhuǎn)錄活性及表達(dá)水平方面發(fā)揮重要的生物學(xué)功能，但它們?cè)敿?xì)的互作機(jī)制需要更為深入的研究來(lái)揭示。

lncRNA在超級(jí)增強(qiáng)子的調(diào)控機(jī)制中也發(fā)揮重要作用。研究表明，超級(jí)增強(qiáng)子衍生的lncRNA可以與外顯子敏感的lncRNA發(fā)生互作，從而激活啟動(dòng)子和增強(qiáng)子，促進(jìn)靶基因染色質(zhì)環(huán)整合和核拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)域的形成，促進(jìn)其表達(dá)[45]。值得一提的是，一種與超級(jí)增強(qiáng)子密切相關(guān)的lncRNA——超級(jí)lncRNA。超級(jí)lncRNA(super-lncRNA)是指與超級(jí)增強(qiáng)子區(qū)域形成RNA∶DNA∶DNA三螺旋的lncRNA，可招募調(diào)控因子至超級(jí)增強(qiáng)子區(qū)，從而影響染色體結(jié)構(gòu)，并作為空間放大器，促進(jìn)超級(jí)增強(qiáng)子相關(guān)的組織特異性基因表達(dá)[46]。超級(jí)lncRNA最主要的作用機(jī)制之一是通過(guò)順式作用調(diào)控鄰近基因的表達(dá)。如Hand2是控制成纖維細(xì)胞向心肌細(xì)胞分化的核心轉(zhuǎn)錄因子之一，其表達(dá)受到鄰近一種名為UPH的SE-lncRNA 的調(diào)節(jié)[47]。在人肝星狀細(xì)胞(human hepatic stellate cells，HSCs)鑒定出許多l(xiāng)ncRNAs，且發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β(transforming growth factor β，TGF-β)直接調(diào)控的lncRNA在超級(jí)增強(qiáng)子中富集[48]?？紤]到肝星狀細(xì)胞是肝纖維化的主要細(xì)胞類型，這一發(fā)現(xiàn)提示，TGF-β通過(guò)調(diào)控這些超級(jí)增強(qiáng)子相關(guān)lncRNAs參與肝纖維化。Fan等[49]在小鼠肝中發(fā)現(xiàn)一個(gè)命名為lnc-Crot的晝夜節(jié)律lncRNA，在晝夜節(jié)律波動(dòng)基因Crot上游的一個(gè)超級(jí)增強(qiáng)子上表達(dá)，其作用受到轉(zhuǎn)錄因子BMAL1和REV-ERBα的影響；進(jìn)一步的試驗(yàn)表明，lnc-Crot位點(diǎn)具有獨(dú)立于lnc-Crot轉(zhuǎn)錄的增強(qiáng)子功能，lnc-Crot位點(diǎn)與晝夜節(jié)律波動(dòng)基因相互作用，通過(guò)長(zhǎng)期相互作用促進(jìn)晝夜節(jié)律轉(zhuǎn)錄因子對(duì)附近基因的調(diào)控。

關(guān)于超級(jí)增強(qiáng)子所衍生的circRNAs形成機(jī)制的研究相對(duì)缺乏，且與超級(jí)增強(qiáng)子相關(guān)的circRNAs數(shù)據(jù)庫(kù)同樣不足。目前，Tang等[50]開(kāi)發(fā)了circRNAs數(shù)據(jù)庫(kù)TRCirc，便于檢索、瀏覽以及可視化circRNA的轉(zhuǎn)錄調(diào)控信息，其中包括circRNA相關(guān)的超級(jí)增強(qiáng)子。Han等[51]發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)錄因子YY1與QKI(Quaking)的超級(jí)增強(qiáng)子和啟動(dòng)子結(jié)合，再經(jīng)p65與啟動(dòng)子結(jié)合、p300作為中介，引起DNA環(huán)(DNA loops)的形成以及QKI的異常激活，異常激活的QKI會(huì)導(dǎo)致肝癌組織中circRNA的形成，再由circ-RNA吸附相應(yīng)的miRNA，促進(jìn)癌基因的表達(dá)。另有研究表明，超級(jí)增強(qiáng)子調(diào)控的circRNA Nfix缺失可誘導(dǎo)成年小鼠心肌梗死后的心組織再生，在這一過(guò)程中，轉(zhuǎn)錄因子Meis1與circNfix位點(diǎn)上的超級(jí)增強(qiáng)子結(jié)合可以調(diào)控其表達(dá)，而circNfix通過(guò)促進(jìn)Ybx1泛素依賴性降解和抑制miR-214活性來(lái)抑制心肌細(xì)胞增殖，因此誘導(dǎo)circNfix的下調(diào)可促進(jìn)成年心肌細(xì)胞增殖和心組織再生，顯著減少心肌梗死后的纖維化區(qū)域，促進(jìn)功能恢復(fù)[52]。該結(jié)果支持超級(jí)增強(qiáng)子通過(guò)招募主轉(zhuǎn)錄因子參與了誘導(dǎo)細(xì)胞分化和增殖的因果機(jī)制。由此，可以大體推斷出超級(jí)增強(qiáng)子通過(guò)非編碼RNA實(shí)現(xiàn)其對(duì)相應(yīng)靶基因的調(diào)控，主要通過(guò)形成超級(jí)增強(qiáng)子——轉(zhuǎn)錄因子——非編碼RNA——靶基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.3 超級(jí)增強(qiáng)子通過(guò)超級(jí)增強(qiáng)子RNA參與基因表達(dá)調(diào)控

研究表明，RNA聚合酶Ⅱ在超級(jí)增強(qiáng)子上的聚集密度大于典型的增強(qiáng)子，從而產(chǎn)生了更高水平的eRNA，即超級(jí)增強(qiáng)子RNA(super enhancer RNA，seRNA)[13]，其實(shí)質(zhì)是超級(jí)增強(qiáng)子自身轉(zhuǎn)錄形成的一種增強(qiáng)子RNA，但由于seRNA與超級(jí)增強(qiáng)子的特殊關(guān)系，對(duì)于超級(jí)增強(qiáng)子的影響機(jī)制與其他非編碼RNA有所不同。seRNA的功能可分為順式(cis)調(diào)控和反式(trans)調(diào)控兩種。順式調(diào)控是seRNA從其合成位點(diǎn)上招募蛋白質(zhì)復(fù)合物來(lái)激活相鄰基因，例如位于Nanog基因位點(diǎn)上超級(jí)增強(qiáng)子的seRNA缺失，會(huì)導(dǎo)致其相鄰基因Dpp3的表達(dá)顯著降低，從而通過(guò)順式調(diào)控對(duì)相鄰基因進(jìn)行差異調(diào)控。同時(shí)通過(guò)染色體構(gòu)象捕獲技術(shù)(3C)，作者證明了DPPA3啟動(dòng)子處遠(yuǎn)端超級(jí)增強(qiáng)子的環(huán)變小約50%，表明遠(yuǎn)端seRNA穩(wěn)定了順式結(jié)構(gòu)中環(huán)和染色質(zhì)的相互作用，從而調(diào)控了DPPA3的表達(dá)[53]。類似的，另一種命名為CARMEN的seRNA轉(zhuǎn)錄被發(fā)現(xiàn)可以直接激活下游基因的表達(dá)，調(diào)節(jié)心組織細(xì)胞分化[54]。反式調(diào)控則表明，seRNA也可能在染色體間發(fā)揮作用，從而引導(dǎo)靶基因的表達(dá)，這無(wú)疑擴(kuò)大了SE的功能范圍，例如MYOD上游非編碼RNA(MNUC)是一種eRNA，可誘導(dǎo)形成特定的肌源性轉(zhuǎn)錄本，但MNUC在C2C12細(xì)胞完全不含MyoD蛋白的情況下，依舊可誘導(dǎo)產(chǎn)生多種肌源性轉(zhuǎn)錄本，這不同于許多基因是由MUNC以一種依賴于MyoD的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而驗(yàn)證了MNUC是一種獨(dú)立于MyoD的反式作用非編碼RNA[55]。有關(guān)seRNA的研究更多報(bào)道于癌癥或腫瘤相關(guān)研究中，如seRNA能夠通過(guò)招募輔助因子、RNA聚合酶Ⅱ和介質(zhì)，構(gòu)成并穩(wěn)定超級(jí)增強(qiáng)子和啟動(dòng)子區(qū)的染色質(zhì)環(huán)(圖3)，從而調(diào)控腫瘤相關(guān)靶基因轉(zhuǎn)錄[56]?？傊?，seRNA的主要功能與eRNA類似，對(duì)于超級(jí)增強(qiáng)子的調(diào)控機(jī)制起到促進(jìn)作用，但二者的調(diào)控機(jī)制需要更多的研究報(bào)道來(lái)揭示與闡述。

3.4 超級(jí)增強(qiáng)子通過(guò)相分離調(diào)控基因表達(dá)

相分離(phase separation)又稱相變(phase transition)，通常作為一種物理現(xiàn)象為人所熟知。Brangwynne等[57]在關(guān)于線蟲(chóng)P顆粒的研究中，發(fā)現(xiàn)P顆粒(一種蛋白質(zhì))并非是一種固體，而是像液滴一樣，相互碰撞融合，劇烈搖晃后分散成很小的液滴，而后又很快地融合形成大液滴，該研究首次證實(shí)了生物體內(nèi)的相變過(guò)程。隨后的研究也表明，相分離現(xiàn)象不僅普遍存在于細(xì)胞內(nèi)，如核仁[58]、蛋白[59]等，還存在于DNA修復(fù)[60]、神經(jīng)信號(hào)傳遞[61]等生命活動(dòng)過(guò)程，這些研究使生命科學(xué)領(lǐng)域的研究者認(rèn)識(shí)到相分離現(xiàn)象可能是一種普遍的生物學(xué)現(xiàn)象，這為揭示真核生物體內(nèi)不同數(shù)量級(jí)的DNA調(diào)控元件、RNA調(diào)控分子以及多種蛋白調(diào)控因子如何相互協(xié)調(diào)，進(jìn)行復(fù)雜的基因調(diào)控提供了新的理論模型。由此，相分離成為生命科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，同時(shí)也為解釋超級(jí)增強(qiáng)子的作用機(jī)制提供了新的啟發(fā)。

2017年Hnisz等[62]首次以相分離理論解釋超級(jí)增強(qiáng)子如何參與基因調(diào)控，雖然該觀點(diǎn)沒(méi)有充足的試驗(yàn)證據(jù)，但為進(jìn)一步探索哺乳動(dòng)物基因控制原理搭建了一個(gè)基本框架。隨后，該作者團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果表明，轉(zhuǎn)錄共激活因子BRD4和MED1可以結(jié)合在超級(jí)增強(qiáng)子處發(fā)生相分離并形成液滴，通過(guò)相分離從細(xì)胞核中隔離出轉(zhuǎn)錄相關(guān)組分，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄過(guò)程的區(qū)室化(compartmentalization)反應(yīng)，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄過(guò)程的正常進(jìn)行，而固有無(wú)序區(qū)域(intrinsically disordered regions，IDRs，是內(nèi)在無(wú)序蛋白的主要功能位點(diǎn)，能促進(jìn)多種細(xì)胞功能)在其中發(fā)揮關(guān)鍵作用，該研究為超級(jí)增強(qiáng)子通過(guò)相分離調(diào)控基因表達(dá)的模型提供了試驗(yàn)證據(jù)[63]。同時(shí)，有研究證明超級(jí)增強(qiáng)子內(nèi)部，轉(zhuǎn)錄因子激活域通過(guò)與共激活劑形成相分離的凝聚物來(lái)影響基因表達(dá)[64]，相關(guān)研究結(jié)果奠定了相分離的理論基礎(chǔ)，為進(jìn)一步闡明相分離的獨(dú)特功能和實(shí)現(xiàn)過(guò)程提供了重要基礎(chǔ)，且超級(jí)增強(qiáng)子和相分離的聯(lián)合研究為未來(lái)人類重大疾病的攻克、哺乳動(dòng)物重要表型性狀的調(diào)控，從基因水平提供了全新方法與思路。

seRNA招募RNA Pol Ⅱ、CoFs和Med，形成和穩(wěn)定SE和啟動(dòng)子的染色質(zhì)環(huán)，調(diào)控靶基因轉(zhuǎn)錄seRNA recruits RNA Pol Ⅱ,CoFs and Med to form and stabilize the chromatin loops of SE and promoters,regulating target gene transcription圖3 超級(jí)增強(qiáng)子通過(guò)seRNA參與基因表達(dá)調(diào)控Fig.3 Super enhancers participate in the regulation of gene expression through seRNA

3.5 超級(jí)增強(qiáng)子參與表達(dá)調(diào)控的其他可能方式

由于研究材料的不同，超級(jí)增強(qiáng)子在不同生物細(xì)胞中的調(diào)控方式具有較大差異，但可以確定的是，超級(jí)增強(qiáng)子可以通過(guò)重要信號(hào)通路來(lái)參與細(xì)胞發(fā)育或腫瘤的發(fā)生發(fā)展過(guò)程中的基因表達(dá)[15,65]。信號(hào)通路作為機(jī)體內(nèi)實(shí)現(xiàn)諸多細(xì)胞功能的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，已被證明可以通過(guò)控制活性增強(qiáng)子轉(zhuǎn)錄的起止驅(qū)動(dòng)特定細(xì)胞生長(zhǎng)[66]。這在一定程度上提示具有更高轉(zhuǎn)錄活性的超級(jí)增強(qiáng)子可能與信號(hào)通路存在某種關(guān)聯(lián)。近來(lái)Sun等[67]在研究多能干細(xì)胞分化作用機(jī)制時(shí)，發(fā)現(xiàn)Hippo信號(hào)通路對(duì)超級(jí)增強(qiáng)子具有調(diào)控作用。在該機(jī)制當(dāng)中，Hippo信號(hào)通路的效應(yīng)因子YAP發(fā)揮關(guān)鍵作用，表現(xiàn)為能協(xié)同多能干細(xì)胞的核心轉(zhuǎn)錄因子和其他超級(jí)增強(qiáng)子結(jié)合蛋白共同作用超級(jí)增強(qiáng)子(圖4)，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵基因表達(dá)的調(diào)控。在YAP富集增加的位點(diǎn)上，干細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子的富集也相應(yīng)增高，導(dǎo)致一些普通增強(qiáng)子轉(zhuǎn)變?yōu)槌?jí)增強(qiáng)子，使其調(diào)控的基因表達(dá)增強(qiáng)。同時(shí)YAP也會(huì)引導(dǎo)激酶Mst(Kinase)缺失的胚胎干細(xì)胞中新的超級(jí)增強(qiáng)子形成，以及在相分離過(guò)程中發(fā)揮重要作用的Med1組分蛋白在譜系相關(guān)基因上的凝聚增強(qiáng)。該研究是在胚胎干細(xì)胞中所揭示的一種通過(guò)調(diào)節(jié)YAP結(jié)合超級(jí)增強(qiáng)子形成的譜系分化的新機(jī)制，同時(shí)該機(jī)制也體現(xiàn)了Med1作為轉(zhuǎn)錄共激活因子所具備的相分離的生物學(xué)功能。需要強(qiáng)調(diào)的是，上述信號(hào)通路對(duì)于超級(jí)增強(qiáng)子的調(diào)控，是一種基于特定組織細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的新型超級(jí)增強(qiáng)子調(diào)控機(jī)制，至于在其他組織細(xì)胞中是否也存在信號(hào)通路對(duì)于超級(jí)增強(qiáng)子的調(diào)控需要更多研究結(jié)果來(lái)說(shuō)明。

超級(jí)增強(qiáng)子在各種特定組織、疾病中的調(diào)控機(jī)制雖略有差異，但基本都是在各種因素的影響下，形成一個(gè)與啟動(dòng)子實(shí)現(xiàn)物理接觸的大型復(fù)合體。但相分離模型的提出使得這種以往的假設(shè)模型無(wú)法解釋染色質(zhì)相分離凝結(jié)水的形成，因此超級(jí)增強(qiáng)子更可能是通過(guò)空間接近來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄激活[68]。

4 超級(jí)增強(qiáng)子在動(dòng)物重要表型調(diào)控中的應(yīng)用前景

由于超級(jí)增強(qiáng)子本身具有極高的轉(zhuǎn)錄激活能力，且多富集于基因組的變異區(qū)，在以往研究中，主要報(bào)道了其在維持細(xì)胞身份、細(xì)胞發(fā)育以及控制疾病相關(guān)基因方面具有重要作用。通過(guò)借鑒當(dāng)下超級(jí)增強(qiáng)子在模式動(dòng)物和一些疾病中的研究成果，如人類癌癥相關(guān)，小鼠模型研究中脂肪形成、乳腺發(fā)育以及肌源性分化等，發(fā)現(xiàn)超級(jí)增強(qiáng)子在家養(yǎng)哺乳動(dòng)物表型調(diào)控的研究中具有重大應(yīng)用前景，這些研究結(jié)果能夠?yàn)槲磥?lái)農(nóng)業(yè)動(dòng)物的研究應(yīng)用提供啟發(fā)和方向。例如在乳腺組織中的研究表明，富含乳腺轉(zhuǎn)錄因子(如STAT5)的超級(jí)增強(qiáng)子可以控制與乳腺組織分化相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄[69]，在對(duì)泌乳期的乳腺組織進(jìn)行分析時(shí)，鑒定出440個(gè)乳腺特異性超增強(qiáng)子，其中一半的超級(jí)增強(qiáng)子相關(guān)基因是由轉(zhuǎn)錄因子STAT5在孕期誘導(dǎo)，且在乳腺組織的表達(dá)高度豐富[17]。而在肌源性分化的研究中，有研究表明，超級(jí)增強(qiáng)子在肌源性分化中的作用主要通過(guò)增強(qiáng)子RNA來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如超級(jí)增強(qiáng)子產(chǎn)生的Serna-1和Serna-2在體內(nèi)外均能促進(jìn)小鼠肌源性分化，這一過(guò)程是由主轉(zhuǎn)錄因子MyoD誘導(dǎo)Serna與核不均一核糖核蛋白L(heterogeneous nuclear ribonucleoprotein L，HnRNPL)相互作用，在肌源性分化過(guò)程中激活靶基因轉(zhuǎn)錄[70]。另外使用小鼠模型進(jìn)行肌源性分化研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)錄因子PAX7通過(guò)與一個(gè)或多個(gè)肌肉相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子協(xié)作來(lái)組裝超級(jí)增強(qiáng)子，從而對(duì)肌肉中關(guān)鍵靶基因進(jìn)行調(diào)控[71]。

同樣，超級(jí)增強(qiáng)子也參與了脂肪的形成、分化以及代謝過(guò)程，并在其中發(fā)揮重要作用。例如在棕色脂肪形成過(guò)程中，研究者利用甲基轉(zhuǎn)移酶MLL4和乙酰轉(zhuǎn)移酶CBP在小鼠脂肪細(xì)胞中鑒定出一些超級(jí)增強(qiáng)子，結(jié)合脂肪發(fā)生過(guò)程中的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其中一部分超級(jí)增強(qiáng)子與一般脂肪生成基因相關(guān)，其他則為棕色脂肪特異性(brown-specific)超級(jí)增強(qiáng)子[72]，此外，BET含溴結(jié)構(gòu)域蛋白4(bromodomain-containing protein 4，BRD4)可以通過(guò)形成新的超級(jí)增強(qiáng)子來(lái)傳導(dǎo)脂肪生成程序，從而驅(qū)動(dòng)PPARG和CEBPA轉(zhuǎn)錄，促進(jìn)脂肪細(xì)胞分化[73]。在脂質(zhì)代謝方面的研究發(fā)現(xiàn)，超級(jí)增強(qiáng)子所驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)錄因子KLF6支持脂質(zhì)代謝基因的表達(dá)，促進(jìn)PDGFB的表達(dá)，PDGFB激活mTOR信號(hào)和下游脂代謝調(diào)節(jié)因子SREBF1和SREBF2的表達(dá)[74]。在肥胖治療方面，相關(guān)研究也能證實(shí)超級(jí)增強(qiáng)子所發(fā)揮的重要作用，例如在小鼠體內(nèi)存在一種棕色脂肪組織(brown adipose tissue)特異性的超級(jí)增強(qiáng)子能通過(guò)相關(guān)miRNA，促進(jìn)小鼠棕色脂肪組織的發(fā)生和白色脂肪褐變，可以被用于治療肥胖[42]。這些研究結(jié)果充分說(shuō)明超級(jí)增強(qiáng)子在哺乳動(dòng)物重要表型調(diào)控中的關(guān)鍵作用，對(duì)未來(lái)解析家養(yǎng)動(dòng)物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收、脂肪沉積以及能量利用等生物學(xué)過(guò)程提供了研究思路。

近來(lái)，超級(jí)增強(qiáng)子在哺乳動(dòng)物中的研究有了最新進(jìn)展。Luan等[75]在豬肝中鑒定出了1 711個(gè)超級(jí)增強(qiáng)子，而肝在新陳代謝中起重要作用并能夠影響豬的生產(chǎn)，該研究既為未來(lái)超級(jí)增強(qiáng)子在豬的基因調(diào)控提供了參考，同時(shí)也為下一步超級(jí)增強(qiáng)子在豬的表型調(diào)控研究奠定前期基礎(chǔ)。另外一項(xiàng)研究通過(guò)對(duì)斑馬魚(yú)與小鼠和人類的超級(jí)增強(qiáng)子進(jìn)行序列和功能比較分析，發(fā)現(xiàn)超級(jí)增強(qiáng)子與物種基因組大小成正比；且42%的斑馬魚(yú)超級(jí)增強(qiáng)子位于與小鼠和人類超級(jí)增強(qiáng)子相關(guān)的同源序列附近，揭示了哺乳動(dòng)物間超級(jí)增強(qiáng)子在功能上存在高度保守性[76]。此外，研究人員開(kāi)發(fā)了包括綿羊、雞等家養(yǎng)哺乳動(dòng)物在內(nèi)的超級(jí)增強(qiáng)子數(shù)據(jù)庫(kù)，將極大促進(jìn)家養(yǎng)哺乳動(dòng)物超級(jí)增強(qiáng)子的研究進(jìn)展[77]。當(dāng)前家畜超級(jí)增強(qiáng)子相關(guān)研究主要是基于表型差異背景的超級(jí)增強(qiáng)子測(cè)序分析，對(duì)于其參與表型變異調(diào)控的分子功能驗(yàn)證仍有欠缺。

超級(jí)增強(qiáng)子在哺乳動(dòng)物重要表型的基因表達(dá)調(diào)控過(guò)程中發(fā)揮重要作用，主要表現(xiàn)在人或小鼠等模式動(dòng)物上。盡管相關(guān)研究在家養(yǎng)哺乳動(dòng)物中報(bào)道較少，但當(dāng)下科研人員不斷開(kāi)始嘗試進(jìn)行家養(yǎng)哺乳動(dòng)物超級(jí)增強(qiáng)子的鑒定分析，基本證實(shí)了可以通過(guò)超級(jí)增強(qiáng)子調(diào)節(jié)特定基因的表達(dá)活性來(lái)調(diào)控相關(guān)機(jī)體表型，這對(duì)于揭示表型性狀背后的分子機(jī)理、開(kāi)展家養(yǎng)動(dòng)物主要表型調(diào)控具有重要的參考價(jià)值，同時(shí)也可為家養(yǎng)哺乳動(dòng)物分子育種提供一種新的研究思路與方法。

5 展望

超級(jí)增強(qiáng)子能驅(qū)動(dòng)控制細(xì)胞身份基因的表達(dá)，在機(jī)體發(fā)育和疾病發(fā)生過(guò)程中起到重要作用。基于超級(jí)增強(qiáng)子在基因表達(dá)調(diào)控中顯著的正向調(diào)節(jié)作用，如促進(jìn)動(dòng)物脂肪分化、乳腺組織分化以及肌源性分化相關(guān)基因的表達(dá)，這對(duì)于揭示哺乳動(dòng)物此類表型性狀背后的分子機(jī)理具有重要意義。隨著生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于超級(jí)增強(qiáng)子的認(rèn)識(shí)正在逐漸拓寬，如超級(jí)增強(qiáng)子參與細(xì)胞代謝重編程[78]等。隨著分子生物學(xué)研究從組織樣(bulk cell)到單分子(single molecular)及單細(xì)胞(single cell)水平的轉(zhuǎn)變[79]，結(jié)合CRISPR/Cas9[80]、空間轉(zhuǎn)錄組、染色質(zhì)可及性等新興技術(shù)將為進(jìn)一步了解超級(jí)增強(qiáng)子的生物學(xué)作用提供空間，也為詳細(xì)探究超級(jí)增強(qiáng)子功能機(jī)制提供了更多可能，從而期望對(duì)超級(jí)增強(qiáng)子在哺乳類動(dòng)物的相關(guān)疾病或性狀解析中提供參考與啟示。