Nature丨转录因子的结合不能预测对该基因的调控

摘要：转录因子（TF）通过与辅因子直接互作、结合转录机器、调控转录起始/延伸过程、染色质修饰等分子机制调控基因表达。多项大规模筛选研究表明，在缺乏其他转录因子（TF）协同作用的情况下，仅有少数哺乳动物转录因子具备强效激活功能，这意味着绝大多数转录因子需要通过协同组合

撰文丨章台柳

转录因子（TF）通过与辅因子直接互作、结合转录机器、调控转录起始/延伸过程、染色质修饰等分子机制调控基因表达。多项大规模筛选研究表明，在缺乏其他转录因子（TF）协同作用的情况下，仅有少数哺乳动物转录因子具备强效激活功能，这意味着绝大多数转录因子需要通过协同组合来调控基因转录。在某些生物体系中，转录因子组合确实表现出显著的协同效应；但更常见的情况是，这些组合仅呈现简单的叠加效应或表现出有限的协同性。

为深入理解单个TF在全基因组范围内的调控作用，必须对以下方面进行探究：它们的功能和重要性在不同基因上的变化，同一调控元件上与其他TF的组合效应、靶启动子类型（组成型或诱导型）和单个基因的染色体环境。尽管有明确的例子表明，单个TF能作为强效激活因子或抑制因子来调控邻近基因，但早期在全基因组水平将TF结合与调节靶点相联系的研究却给出了让人困惑的结果。例如，综合分析TF基因的缺失及mRNA的表达变化，发现部分TF结合位点并无调控功能，或者同一TF在不同的基因上具有正向或负向调控作用【1】。然后，这些研究大多依赖于稳态RNA分析，并且是在TF长期缺失条件下进行的，因此很难区分出直接效应和间接效应。

酿酒酵母是研究TF特异性、协同性和功能的优秀模型系统。尽管酵母缺乏远端增强子元件，但其转录调控机制与高等真核生物高度保守。酵母只有大约150个总TFs，不到人类的十分之一，使其适合进行全基因组规模的TF结合和功能比较。现有研究已积累大量关于酵母中TF-TF互作、TF调控靶点及共调控基因集的遗传与生化数据。酵母蛋白编码基因可根据对不同辅因子（如TFIID、SAGA、Bdf1/2和MED Tail等）的依赖性而分类。大多数的酵母基因的转录是依赖于TFIID和Bdf1/2（即TFIID依赖性基因），这些基因是组成性表达，而被调控基因中的一部分其转录依赖于TFIID或SAGA，被称为辅因子冗余型基因（CR），多为受调控的可诱导型基因。转录因子如何决定辅因子特异性以及特定转录因子是否专一调控某类基因，是目前亟待解决的重要科学问题。例如，研究表明约60%的酵母转录因子含有酸性激活结构域，可结合MED tail，但仅约6%的基因表达会因MED Tail快速缺失而受影响。

近日，来自福瑞德·哈金森癌症研究中心的Steven Hahn团队在Nature杂志上发表文章Low overlap of transcription factor DNA binding and regulatory targets，通过绘制酿酒酵母近乎全套转录因子的结合位点及靶基因调控图谱，发现与预期相反，仅有极少数转录因子专一地承担基因激活或抑制功能，而绝大多数转录因子具有双重功能。虽然几乎所有蛋白质编码基因都受到一个或多个转录因子的调控，但全基因组分析发现转录因子的DNA结合位点与基因调控仅存在有限的重叠。通过快速降解转录因子发现，大量调控靶基因实际上远离任何可检测到的转录因子结合位点，暗示存在远程调控等非经典调控机制。这项研究不仅首次绘制了近乎完整的酵母转录因子功能图谱，并深入了解单个细胞类型中表达的转录因子之间的相互作用，以及它们如何影响复杂的基因调控程序。

研究人员通过将酿酒酵母中几乎所有的TFs（包括激活因子、抑制因子和推定的调控因子）与微球菌核酸酶（MNase）相融合，利用ChEC-seq技术来检测TFs在基因组DNA上的位置。同时也定位了一些染色质重塑因子、转录辅因子和转录起始复合物相关蛋白来作为对比。已知酵母缺乏远程调控的增强子，分析主要集中在转录起始位点附近。在转录起始位点的-400到+200bp区间中检测到77%的TF结合位点。在研究的5,891个启动子中，有5,467个（占比92.8%）可检测到与至少一个TF存在相互作用。分析显示，启动子与TFs的结合数量呈现显著差异：其中位值为15个TFs，但具体分布范围从1个到137个TFs不等。同样，单个TFs平均可结合624个启动子，但具体分布范围从1到3355不等。分析TFs结合位点的序列特性发现，47个转录因子（如Abf1和Reb1）在其50%以上的结合位点中存在特征性基序（motif）；而大多数转录因子的结合位点中，仅部分（中位数34%，范围7%-49%）含有相应基序。令人惊讶的是，在120个已知DNA结合基序（motif）的TFs中，有87个（占比72.5%）的ChEC信号（与TF结合丰度有关）在含基序与不含基序的启动子之间无显著统计学差异，这意味着是否出现motif序列并不能预测TF-启动子的结合。根据motif的情况将基因分成3类，第一类包含所分析基因的53%，其启动子由相对较少的TFs结合（每个启动子的结合TFs的中位数为7）；第二类约占总基因的26%，与适量的TFs结合（中位数为24）；第三类约占总基因的14%，与许多TFs结合（中位数67）。I和II类富含TFIID类基因，而III类富含CR基因，具有最宽的核小体耗竭区（NDR），包含许多高度表达的基因，并且高度富集位于染色体相互作用域边界附近的基因。

为了系统地评估TFs的全基因组功能，并确定DNA结合与功能之间关联的程度，研究使用AID系统诱导TFs的快速耗竭，并检测新生RNA水平的变化。结果显示，4725个基因的表达受到至少一个TF调节，每个基因有1-21个调节性TFs，包括85%的TFIID依赖性和75%的CR基因。TF的快速耗竭会导致许多基因的上调和下调，且这种现象适用于大多数TFs。即专职的激活性转录因子（如Msn2和Gcn4）或抑制性转录因子（如Rox1和Sum1）相对较少，大多数酵母TFs（超过66%）具有双重作用。

将TFs的结合位点信息和调控表达之间进行整合分析，发现只有少数TF在结合位点-调控功能上（例如Ifh1、Cyc8、Rap1、Abf1和Reb1）有中度重叠（>40%），大多数TF的重叠要小得多，但明显的无功能结合比例很高。即对于大多数TF来说，结合通常不能很好地预测该基因的表达是否会对结合TF的缺失做出反应。另一个值得注意的观察结果是，对于许多TF，大多数表达靶标缺乏可检测的启动子结合。例如，Cyc8结合了777个启动子，但快速耗竭影响了2765个基因的表达（其中422个基因与Cyc8相结合）。那么在没有检测到TF结合的情况下，TF如何调控基因的启动子？研究人员构建了GFP报告系统，发现尽管没有观察到TF的可检测结合，但TF的调控功能是通过-400到+200bp窗口介导的。即在天然基因的背景下，这些无TF结合的启动子依赖于更远端的调控元件，需要进一步的研究来确定这些基因的调控机制及其在更复杂的真核生物中的功能关系。

总的来说，研究绘制了近乎完整的酿酒酵母的转录因子结合和调控表达靶点图谱，并揭示出新的转录因子作用及其调控全基因组转录的机制，为深入理解转录因子的工作机制提供了重要参考。

制版人：十一

参考文献

1. Kang, Y. et al. Dual threshold optimization and network inference reveal convergent evidence from TF binding locations and TF perturbation responses.Genome Res.30, 459–471 (2020).

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