科学家揭示人类基因调控背后的“语法”

近日，赫尔辛基大学（University of Helsinki）的一个研究小组发现了控制人类细胞基因调控的逻辑。将来，这种新知识可用于研究癌症和其他遗传疾病。基因调控是控制细胞内基因活性的重要过程。不正确的基因调控会导致许多疾病的发生，包括癌症。

人类基因组的DNA包含编码蛋白质的基因，这些基因反过来赋予肌肉细胞力量和脑细胞处理信息的能力。DNA还包含基因调控元件，这些元件决定基因何时何地表达，确保肌肉基因在肌肉中表达，大脑基因在大脑中表达。

在这项研究中，研究人员从一组比整个人类基因组大100倍的DNA序列中测量了基因调控活性。研究没有使用天然基因组序列，而是将随机合成DNA序列引入人类细胞。然后，允许细胞本身读取新的DNA，并让其突出显示作为活性调节元件起作用的序列。

研究人员使用一种称为大规模平行报告基因分析的技术制作了他们广泛的数据集，其中可以在一次大规模分析中同时研究数百万个DNA序列的调节活性，然后使用人工智能工具分析数据。

基因表达由与DNA结合的蛋白质（称为转录因子）调节。研究人员发现，这些因子结合的非常短的DNA序列构成了基因表达的关键原子单位。单个转录因子以相加的方式促进基因调控。换句话说，每个因素独立地增加监管活动，而不与其他因素发生特定的相互作用。此外，转录因子在基因调控过程中可能具有多种平行功能，例如提高基因表达率或确定转录开始的基因组位置。

研究人员比较了三种不同的人类细胞类型：结肠癌细胞、肝癌细胞，以及源自视网膜的正常细胞。他们发现只有少数转录因子在细胞中具有高度活性。此外，无论细胞类型如何，大多数转录因子活性都是相似的。

结果表明，人类细胞中的基因调控元件可以根据它们所处的染色质环境分为不同的类型——要么是在DNA密集的封闭染色质区域，要么是在DNA不存在的更开放的染色质环境中，紧紧地包裹在组蛋白周围。

传统上，活性调节元件被认为位于开放的染色质区域内，DNA很容易被转录因子访问。因此，发现在封闭染色质区域内起作用的活性调节元件是该研究新观察结果之一。

此外，研究人员还确定了依赖于染色质的调控元件。这些元素在基因组中的正常位点具有活性，但如果将它们从原始位置移出并转移到另一个基因附近，它们的活性就会大大降低。

题为Sequence determinants of human gene regulatory elements的相关研究论文发表在《自然-遗传学》上。

前瞻经济学人APP资讯组

论文原文：

https://www.nature.com/articles/s41588-021-01009-4