科学家们开发了一种方法，可以同时观察细胞中活跃的基因和增强子，这将有助于识别哪些增强子负责控制特定基因。这一发现可能还会导致新治疗遗传障碍的靶标的识别。人类基因组包含大约23,000个基因，但在任何给定时间内，其中只有一小部分在细胞内活跃。调控基因表达的网络涉及增强子，这些是位于与它们所调控基因远离的基因组区域。麻省理工学院的研究人员创建了一种新方法来观察细胞中基因和增强子的激活时机，从而解决理解复杂基因-增强子相互作用的挑战。通过识别在特定增强子旁边何时激活基因，研究人员可以推断出增强子正在影响基因的活性。
理解不同细胞类型中的增强子和基因之间的关系可能有助于确定遗传障碍的潜在药物靶标。基因组研究揭示了与一系列疾病相关的非编码区域的突变。这些是否是未被识别的增强子？“当个人开始使用基因技术来精确定位包含疾病信息的染色体区域时，大多数这些位置并不对应于基因。我们怀疑它们对应于这些增强子，这些增强子可能离启动子相当远，因此能够准确定位这些增强子至关重要，”麻省理工学院名誉教授Phillip Sharp说，他是麻省理工学院癌症研究综合研究所的成员。Sharp是即将发表在《自然》期刊上的新研究的资深作者。麻省理工学院研究助理D.B. Jay Mahat是该论文的首位作者。
寻找eRNA
人类基因组中不足2%由编码蛋白质的基因组成。基因组的其余部分由各种元素组成，这些元素调控这些基因的表达。增强子被认为是通过形成一个临时复合体与基因启动子区域物理相互作用，从而激活基因，约在45年前首次被识别。
在2010年，科学家发现这些增强子会转录成RNA分子，称为增强子RNA或eRNA。研究人员认为，当增强子积极参与与它们的目标基因相互作用时，这种转录便会发生。这引出了一个可能性，即测量eRNA转录水平可能有助于研究人员确定增强子何时活跃，以及它们正在针对哪些基因。
“这些信息对于理解发育过程以及理解癌症如何改变其调控程序并激活导致去分化和转移性生长的过程至关重要，”Mahat说。
但是，这种映射已被证明很难执行，因为eRNA的产生量非常少，并且在细胞内持续时间较短。此外，eRNA缺乏一种修饰，称为聚A尾，这是大多数方法用来从细胞中提取RNA的“钩子”。
捕获eRNA的一种方法涉及向细胞中添加当其成为RNA的一部分时停止转录的核苷酸。这些核苷酸还带有生物素标签，可以用于从细胞中分离RNA。然而，这种当前的方法仅适用于大批细胞，并无法提供有关单个细胞的信息。
在对此进行头脑风暴时，Mahat和Sharp考虑使用点击化学，这是一种可以将两种分子连接在一起的技术，前提是它们都标记有“点击手柄”。
当标记了点击手柄的核苷酸被纳入生长的eRNA链中时，研究人员可以轻松捕获和纯化这些链。通过使用包含互补手柄的标签，可以提取eRNA，然后进行扩增和测序。虽然在每一步中会损失一些RNA，但根据Mahat的估计，大约10%的来自一个给定细胞的eRNA可以成功提取。
这种技术使研究人员能够获得在特定时间内活跃转录的增强子和基因的快照。
“我们的目标是在每个细胞中识别来自调节元件及其相关基因的转录激活。这需要在单个细胞中进行，因为这使我们能够检测调节元件和基因之间的同步性或异步性，”Mahat解释道。
基因表达的时机
通过在小鼠胚胎干细胞中测试他们的方法，科学家们确定他们可以根据RNA链的长度和聚合酶（负责转录的酶）的速度来估计某个特定区域的转录开始。研究人员利用一种新方法来测量RNA聚合酶的转录速度，即聚合酶每秒转录的速度。这使他们能够识别哪些基因和增强子同时转录。
使用这种方法，研究人员能够以比以前更精确的细节确定细胞周期基因的表达时机。他们还确认了数个已知基因-增强子对，并编制了大约50,000个潜在增强子-基因对的列表，他们现在可以进行验证。
理解哪些增强子调控哪些基因将有助于开发新的遗传疾病治疗方法。去年，美国食品和药物管理局批准了首个用于镰状细胞贫血的基因治疗方案。该治疗通过干扰激活胎儿胞红蛋白基因的增强子，减少镰状血细胞的产生。
麻省理工学院团队现在正在使用相同的方法研究其他类型的细胞，特别关注自身免疫疾病。他们与波士顿儿童医院的研究人员合作，研究与系统性红斑狼疮相关的免疫细胞中的突变，其中许多突变发现于基因组的非编码区域。
“由于尚不清楚这些突变影响哪些基因，我们正开始揭开这个谜团。”Mahat解释说，在研究中识别到的增强子可能参与调控特定基因，并可能在某些类型细胞中活跃。这种创建基因与增强子映射的工具对于理解基因调控的生物学是重要的，并为理解疾病提供了基础，”Mahat表示。
研究结果还支持Sharp与麻省理工学院教授Richard Young和Arup Chakraborty共同提出的一个理论，该理论认为基因转录受凝聚体或无膜液滴的控制。根据Sharp的说法，这些凝聚体由大量的酶和RNA组成，其中可能包括在增强子位点产生的eRNA。
研究人员解释说，他们认为增强子与启动子之间的相互作用形成了一个临时的类似凝聚体的结构，RNA在这个过程中发挥了作用。这项研究是我们理解来自增强子RNA潜在活动的重要贡献，”他说。
