增強子是基因組中調控基因時空特異性表達的重要元件，在細胞分化、疾病發生等過程中起重要作用【1】。但是，如何從卷帙浩繁的基因組序列中精確地鑑定增強子區域和序列，依然是目前研究的焦點。真核細胞的基因組DNA在細胞內緊緊纏繞組蛋白八聚體，以染色質的形式被壓縮存儲、保護和行使功能。染色質上不同區域的組成特徵和各類化學修飾則作為表觀遺傳標記，構成了解讀基因組序列、尋找功能元件的信標。美國加州大學聖地牙哥分校任冰實驗室利用染色質免疫沉澱技術（ChIP）分析了多種組蛋白修飾在基因組上的分布，最早將特定的組蛋白修飾與啟動子和增強子等重要的功能元件聯繫起來【2,3】。隨後，MIT的Rudolf Jaenisch實驗室發現利用H3K27乙醯化修飾（H3K27ac）可以有效地區分活躍增強子和非活躍的增強子【4】。除此之外，增強子還高度富集組蛋白變體H3.3，並具有較高的H3.3更新替換活性【5,6】。雖然H3K27ac指示活躍增強子的能力無可辯駁，但該修飾是否會功能性地影響增強子活性一直是領域內存有爭議的問題。
2020年2月21日，中國科學院生物物理研究所朱冰課題組在Genome Biology上在線發表了題為Histone H3K27 acetylation is dispensable for enhancer activity in mouse embryonic stem cells的研究論文。該工作首次證明了雖然H3K27ac可以作為哺乳動物基因組中活躍增強子的最好的表觀遺傳標記，但活躍增強子的生物學功能並不受缺失H3K27ac的影響，而是依賴於組蛋白多個賴氨酸位點乙醯化的協同作用。
為了特異性地研究增強子區域H3K27ac的生物學功能，研究人員在小鼠胚胎幹細胞中定點突變了組蛋白變體H3.3的第27位賴氨酸，將其突變為不能被乙醯化修飾的精氨酸（H3.3K27R）。全基因組學分析發現，在不影響H3K27位點另一個重要修飾H3K27me3的前提下，H3.3K27R突變的細胞中活躍增強子區域的H3K27ac基本完全消失，但細胞轉錄組幾乎沒有受到影響。最近開發的「Activity-by-Contact」模型可以相對較好地預測增強子與其所調控的基因之間的對應關係【7】。利用這一模型，研究人員發現基因的轉錄對於與其關聯的增強子區域H3K27ac的消失並不敏感，僅少數基因呈現上調或者下調表達的現象。即便是對於具有高度組織特異性、且高度富集H3K27ac修飾的超級增強子（super enhancer）而言，H3.3K27R突變的細胞中超級增強子調控的基因轉錄也沒有發生顯著變化。
乙醯化修飾能夠中和賴氨酸的正電性，從而削弱組蛋白與DNA結合的能力【8】。組蛋白上有多個可以被乙醯化修飾的賴氨酸位點。研究人員分析了H3.3K27R突變對組蛋白其他位點乙醯化修飾的影響，結果發現其他位點乙醯化並無明顯變化，這說明增強子的活性並不依賴於單一特定位點的乙醯化修飾，而是需要多個位點乙醯化修飾協同作用，使染色質結構變得鬆散，從而維持增強子的活躍狀態。
增強子區域H3K27ac的丟失不影響整體基因轉錄
據悉，中國科學院生物物理研究所朱冰課題組博士生張甜甜和研究員張珠強是該論文的共同第一作者，研究員朱冰和助理研究員熊俊（青促會會員）為該論文的通訊作者。朱冰課題組的董強博士也參與了這項工作。
後記：據了解，該成果的起源頗有意思。據悉，朱冰老師在一次審稿的過程中，把今日報導中的文章中的道理進行了提及，對手頭審稿的文章提出了一些觀點和批評，然後其它審稿人似乎並沒有重視（也許不懂）而忽視了問題的存在，那個文章最後也發表了。想必朱冰老師也是忿忿不平，於是決定要把這個問題仔細做一做，讓一個運氣稍差但是面臨畢業的學生去做了一下，於是有了這篇GB的文章。這篇GB的文章不複雜，對於很多業內的人來說這些結論早就是已知的（比如藍斐老師昨日也說這個結論是顯而易見，並且對於這個GB的工作還是很讚賞的），只是沒有人去專門講，但是對於圈外的人這個問題還是很重要的，或許有的人還會大吃一驚。總之，從某種程度上講，這個工作的教育意義大於科學意義，箇中滋味，讀者不妨細細品味。引用朱冰老師的依據原話，「In science, correlation does not necessarily mean causality」。
原文連結：
https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-020-01957-w
參考文獻
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本文轉載自公眾號「BioArt」（BioGossip）
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原標題：《【科技前沿】Genome Biology | 朱冰課題組揭示增強子的活性需要多個位點乙醯化修飾的協同作用》