造血过程中细胞状态特异性增强子设计原则的突破性发现
4 秒后播放：
综述：调控肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）的命运
造血过程中细胞状态特异性增强子设计原则的突破性发现
在生命的奇妙旅程中，细胞分化扮演着至关重要的角色。就像一场精心编排的演出，每个细胞都有着独特的 “角色” 和 “台词”，而基因表达则是这场演出的 “剧本”。在细胞分化的过程中，转录因子（TFs）就像是一群 “导演”，它们的活动需要被精准地转化为特定基因的表达模式，从而让细胞能够各司其职。
在血液干细胞分化的领域，科学家们发现了一个有趣却又令人困惑的现象。通过单细胞转录组学和成像研究表明，关键的转录因子在干细胞和祖细胞群体中以平滑、重叠的梯度表达，然而它们所调控的靶基因却呈现出细胞状态特异性的表达模式。这就好比一群 “导演” 明明都在舞台上，而且看起来分工有些重叠，但最终呈现出的却是截然不同的 “表演”，这其中的奥秘究竟是什么呢？
不仅如此，在从多能性退出、器官发生到组织再生等多个生物学过程中，都存在类似的 TFs 重叠梯度。而且，改变 TFs 之间的比例就足以建立特定的基因表达程序。但问题接踵而至，增强子如何将相同 TFs 的定量失衡转化为高度特异性的活性模式？干细胞中，尽管存在丰富的谱系 TFs 表达，谱系和细胞周期基因为何能保持沉默？癌细胞又是如何在主要依赖相同核心转录调节因子的情况下，实现干细胞和祖细胞程序的共表达？这些问题就像一团团迷雾，笼罩着基因调控的研究领域，迫切需要科学家们去揭开谜底。
为了回答这些具有挑战性的问题，来自巴塞罗那科技学院基因组调控中心（Centre for Genomic Regulation, CRG）等机构的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Cell》杂志上，为我们理解基因调控的奥秘提供了重要线索。
研究人员运用了多种关键技术方法来探索这些问题。他们通过合成大量的 DNA 序列构建文库，采用慢病毒大规模平行报告分析（lentiMPRA）技术，在七种细胞状态下测定增强子活性。同时，利用单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）和细胞索引转录组及表位测序（CITE-seq）对细胞培养物进行表征，并借助荧光激活细胞分选（FACS）技术对细胞进行分类。此外，还运用了生物物理模型和机器学习等分析方法对数据进行深入挖掘。
下面我们来详细看看他们的研究结果：
合成增强子文库的设计 ：研究人员从文献及相关数据分析中挑选出 38 个关键的造血 TFs，设计了三个主要的 MPRA 文库。文库 A 研究单个 TFs 结合位点的功能，文库 B 和 C 则聚焦于两个不同 TFs 基序组合的功能。这些文库包含了不同数量、亲和力、间距、方向和排列的 TFs 结合位点，且都构建在随机 DNA 背景上，以确保研究的全面性和客观性。TF 基序之间的组合相互作用建立二元活性模式 ：通过对文库数据的分析，研究人员发现单个 TFs 的基序在不同细胞状态下可能表现为激活或抑制转录的功能，而 TFs 基序对则能诱导出二元的活性、非活性和抑制模式。例如，许多组合在某些细胞状态下激活转录，在其他细胞状态下则抑制转录。这表明增强子与 TFs 的相互作用十分复杂，且具有细胞状态特异性。增强子作为 TF 浓度的连续中继 ：进一步研究发现，单个 TFs 的结合位点与相应 TF 的浓度变化相关。在某些情况下，更多（和 / 或更强）的结合位点会导致活性单调增加（对于激活剂）或减少（对于抑制剂）。但也有一些 TFs 存在非单调关系，即增强子在中等数量的基序或中等亲和力的基序下具有最大激活作用，这种现象被称为 “占用依赖对偶性”。组合对偶性：激活剂对转变为细胞状态特异性抑制剂 ：在研究 TFs 相互作用时，发现许多 TFs 对在不同细胞状态下表现出激活或抑制的双重功能。例如，Fli1 - Spi1 和 Gata2 - Cebpa 这两对基序，单独存在时几乎没有抑制活性，但组合在一起时在某些细胞状态下会引发强烈的抑制作用。这种组合对偶性表明 TFs 基序的功能依赖于共现的基序，且相互作用会增加谱系特异性。组合增强子感知 TF 比率 ：通过合成额外的 MPRA 文库，研究发现组合增强子能够感知 TFs 的比率，从而以高度细胞状态特异性的方式激活基因表达。例如，Fli1 - Spi1 和 Cebpa - Gata2 增强子在特定的 TFs 比率下会表现出抑制作用，且这种行为受到细胞状态的调节。基序组合的影响扩展到基因组增强子 ：研究人员合成了包含基因组元素和复杂合成序列的文库，发现简单合成增强子中 TFs 基序的相互作用对更复杂和天然的基因组增强子的活性和特异性具有重要意义。训练的深度模型在预测这些增强子的活性方面表现出一定的准确性，说明对 TFs 基序相互作用的定量理解有助于解释复杂基因组增强子的功能。具有用户定义组合细胞状态特异性的合成增强子的自动化设计 ：基于研究成果，研究人员成功实现了合成增强子的自动化设计。他们制定了 64 个组合设计任务，通过不同的设计策略，能够生成具有预期活性模式的序列。这些序列在实验中表现出相对随机 DNA 对照的活性，证明了基于 TFs 基序相互作用的设计原则的有效性。K562 细胞中抑制功能的频繁丧失 ：与常用的癌细胞系 K562 进行比较发现，在 K562 细胞中，一些 TFs 的抑制功能受损，且 TFs 之间的中性化相互作用在 K562 细胞中减少。这表明癌细胞系与原发性造血祖细胞在基因调控机制上存在差异，强调了在研究基因调控时使用原发性细胞模型的重要性。
在讨论部分，研究人员总结了造血过程中细胞状态特异性增强子的三个设计原则：一是单个 TFs 的基序可根据其在增强子上的预测占用情况表现为激活或抑制；二是单个因子的基序在不同细胞状态下可能有不同的解释；三也是最重要的一点，两个不同因子的基序可以非加性地相互作用，组合对偶性是增强子实现细胞状态特异性的强大机制。
这项研究的意义重大，它揭示了造血过程中细胞状态特异性增强子的设计原则，为理解基因调控提供了新的视角。这些发现有助于我们更好地理解细胞分化的机制，以及癌细胞异常基因表达的原因。同时，研究中开发的自动化设计合成增强子的方法，为基因治疗和再生医学等领域的发展提供了潜在的应用价值，有望为未来的医学研究和治疗带来新的突破。
发送
请您填写留言
