一文带你快速了解国自然热点「增强子」，2022年中标50多项

一刻爱跳的心

今天要给大家介绍的是「增强子」。

增强子的首次报道在1981年，Benerji在SV40的基因组中发现了一段长约72bp的序列，该段序列可以增强基因的表达。之后，就开始了增强子的研究。

近几年国家自然科学基金的资助项目中，「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。



（来源：ZCOOL国家自然科学基金查询）



（来源：ZCOOL国家自然科学基金查询）





什么是增强子


增强子的英文叫做enhancer，它是位于结构基因附近的一段序列，长度为50-1500bp。它是一类非编码DNA顺式作用元件，在真核生物的发育和分化过程中通过结合转录因子、辅因子以及染色质复合物作用于启动子，可以激活或增强基因的转录。简单说：增强子是能够增加启动子活性从而增加基因转录频率的DNA序列。



（来源于互联网）

与启动子不同，增强子调控基因的转录不具有方向性，与靶向基因的距离是高度变化的（但会在同一分子上），可以位于基因的上游或下游，有的还位于内含子中，甚至作用于不同染色质上的基因。

此外，增强子不只作用于其邻近的基因，而且还能绕开邻近基因来调控更远位置的基因。有时，单个增强子甚至能调控多个基因的表达。
增强子分为以下两种类型：

⑴细胞特异性增强子：能够在特定的细胞或特定的细胞发育阶段选择性调控基因转录表达的增强子称为细胞特异性增强子。例如，B细胞免疫球蛋白重链基因或轻链基因的增强子，只有在胚胎干细胞分化为B细胞时，才能对Ig基因起正调控作用。

⑵诱导性增强子：在特定刺激因子的诱导下，才能发挥其增强基因转录活性的增强子称为诱导性增强子。如激素反应元件（HRE）及金属应答元件（MRE）。
近年来对于增强子的研究发现，它不仅仅对基因有着调控作用，而且还对miRNA的转录具有调控作用，这意味着其作用更加广泛了。

增强子序列变异和基因组重排破坏了增强子-启动子互作，是一种疾病易感性和发育畸形的基础，表明了增强子在转录控制中的核心作用，因此增强子研究成为当下生物医学领域的研究热点。



（DOI: 10.1038/s41576-019-0173-8）

增强子通常处于染色质开放区域，同时会富集转录因子、辅因子（p300）、组蛋白修饰标记（H3K4me1和H3K27ac）等，这些通常作为增强子的标志以对其进行检测。

现阶段科学家们通过检测蛋白的DNA结合位点的方式以及DNA开放性的方式来检测增强子。

（1）通过ChIP-Seq或者CUT&Tag技术检测组蛋白修饰情况、某种重要的转录因子或者某些重要的辅助因子（如P300等）的结合位点来检测增强子；

（2）通过检测基因组的开放性。增强子所在染色质区域在转录前需要被打开，才有足够空间结合转录因子，研究染色质开放性区域方法也比较多，目前多采用ATAC-seq技术来查找染色质开放区域。

该技术基于转座酶Tn5可以进入到开放的核染色质区域进行切割的原理，以鉴定出在某特定条件下基因组中的活跃转录调控序列。以其准确率高、重复性好、所需样本量少的特点，成为目前检测染色质开放性的最优策略。

（3）荧光素酶报告系统。



（DOI: 10.1038/s41576-019-0173-8）





超级增强子


除了增强子是调控细胞基因时空表达关键的顺式作用元件外，2013年，Richard A. Young实验室基于当时增强子的研究，提出了超级增强子(Super-enhancers，SEs)概念。



（DOI: 10.1016/j.cell.2013.03.035）

超级增强子是基因组中大量增强子富集的转录调控区域。

与普通增强子（Typical enhancer，TE）相比，超级增强子区域跨度范围通常可达8-20 Kb，远高于普通增强子的200-300 bp跨度范围。

更重要的是，超级增强子比普通增强子具有更高密度的转录激活相关组蛋白修饰（H3K27ac、H3K4me1等）、Mediator复合体和Bromodomain containing 4 蛋白(BRD4，与组蛋白乙酰化修饰位点结合)、辅因子（Mediator等）和其他转录因子。

因此，超级增强子可以通俗的理解为是普通增强子所形成的“集合簇”。

（DOI: 10.1126/science.aar3958）

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。

目前，超级增强子已被报道与多种疾病发生发展有关，其中包括了不同类型的肿瘤。除了肿瘤以外，与超级增强子异常相关的疾病还包括有：阿尔兹海默症、类风湿关节炎、克罗恩病等。

对超级增强子的透彻研究，有利于进一步解析疾病的形成，以便更好地选择疾病的治疗方式。

近年来，以超级增强子为研究对象的高分文章不断涌现，从2010年至今，超级增强子的文章已经有5000多篇，在胚胎发育、癌症发生、非编码RNA调控等领域都有很多好成果。



（来源Pubmed）

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。2022年国自然资助「增强子」项目中（52项），项目名称明确为「超级增强子」的占了27项。



（来源：ZCOOL国家自然科学基金查询）

超级增强子的先驱者Richard A. Young与 JQ1/iBET研发者Bradner J.E.这两位科学家曾预言超级增强子具有广阔的研发前景和价值，必将成为下一个药物研发的黄金靶点，有望开发一种精确影响基因调控元件的药物。这两位科学家也因此联手成立Syros公司，研发针对超级增强子的抗癌药。

但是迄今为止，我们对超级增强子的了解十分有限，留给研究者的谜团还有很多。


那么该如何开展超级增强子研究呢？

（1）超级增强子的鉴定


目前分析超级增强子最常用的技术手段是ChIP-seq（染色质免疫共沉淀测序）。

因为超级增强子附近富集了大量的转录活性标记分子，如组蛋白修饰标记的H3K27ac、H3K4me1，染色质修饰P300等，通过这些活性标记分子的抗体，进行ChIP-seq鉴定其在基因组的富集情况，以确定可能的增强子活性位点，然后通过增强子缝合、排序确定阈值，采用ROSE算法鉴定出超级增强子。目前用的比较多的是用H3K27ac抗体进行ChIP-seq来鉴定超级增强子。

除了ChIP-seq，我们还可以联合其他的技术手段提高超级增强子鉴定的阳性率，如ATAC-seq。

如果要在三维结构中分析超级增强子和靶基因，还可以进行HiChIP（in situ Hi-C followed by chromatin immunoprecipitation）实验。

HiChIP认为是Hi-C的高端版，该技术结合了Hi-C和ChIA-PET两个技术，可用较少的细胞更快更高效的获得较多感兴趣的基因reads数、较高信号值和更高特异性的数据，可鉴定到高置信的超级增强子靶基因。

鉴定出超级增强子之后，可以根据基因位置预测超级增强子所调控的编码蛋白基因和非编码RNA的表达，通过结合转录组测序技术，以对超级增强子和疾病异常高表达的mRNA、lncRNA、circRNA、miRNA进行关联分析，从而推断关键的超级增强子，进一步锁定疾病相关的基因，有利于指导下一步的功能研究。

（2）超级增强子与编码基因/转录因子互作的机制


超级增强子作为细胞识别基因的重要调控子，其调控机制的深入解析将有助于揭示干细胞多能性、定向分化和癌症重要的调控子。对于具体癌症类型中的超级增强子的识别和深入分析将为个体医疗提供重要的靶标。

我们知道，启动子决定转录的起始位点，而增强子决定一个基因在什么组织、什么时间发生转录。但是，增强子如何促进启动子的转录，是转录领域里面悬而未决的问题。

启动子和增强子在转录的过程中，要形成loop，使远距离的增强子和启动子，变得相近。不过，基因组里大概有大概有5万个启动子，而增强子至少有10万个，它们之间的对应调控关系是现代生物学研究的热点和难点。

要深入研究，就绕不开对相互作用靶基因的探索。探索DNA-DNA互作，我们可以利用HiChIP技术。检测RNA—RNA的互作，则可以使用RIC-seq技术。

（3）功能研究


通常研究一个基因，使用的方法主要是loss of function或者gain of function，将目的基因抑制或者激活，检测下游靶基因的表达变化或者细胞功能改变。

针对基因组上的超级增强子的研究主要有①将超级增强子缺失，直接验证基因的表达水平；②关键位点抑制/激活（适用场景：已明确核心位点）。



（4）必备数据库


以下为大家提供几个常见的研究增强子的数据库。

①EnhancerAtlas：
http://www.enhanceratlas.org/index.php

②EnhancerDB：
http://lcbb.swjtu.edu.cn/EnhancerDB/

③SEdb：
http://www.licpathway.net/sedb/

④VISTA Enhancer Brower：
https://enhancer.lbl.gov/

以上就是今天的分享，希望这些内容对大家的研究有所帮助。