根据增强子的研究角度将这些研究手段分为两大类:①增强子及其活性鉴定,这些技术包括染色质免疫共沉淀测序(chromatin immunoprecipitation sequencing,ChIP⁃seq),核酸酶靶向切割与释放(cleavage under targets and release using,CUT&RUN)以及利用转座酶检测染色质可及性测序(assay for transposase accessible chromatin with high⁃throughput sequencing,ATAC⁃seq)技术,大规模并行报告基因检测(massively parallel reporter assay,MPRA)和自转录活性调控区域测序 (self⁃transcribing active regulatory region sequencing, STARR ⁃seq),新生RNA测序(global nuclear run⁃on sequencing,GRO⁃seq)等;②增强子的靶基因鉴定及其功能研究,这些技术包括染色质构象捕获 (capturing chromosome conformation,3C)及其衍生技术,CRISPR⁃Cas9和CRISPR⁃dCas9等。
1. 分析鉴定增强子及其活性的方法
随着对增强子特征的认识和高通量技术的快速发展,近年来人们主要利用增强子的表观修饰特征,结合二代测序的技术方法对全基因组中潜在增强子进行分析和鉴定。最常用的 ChIP⁃seq技术是通过富集增强子特征修饰的组蛋白或转录因子结合的DNA序列,再通过测序在全基因组鉴定潜在增强子。2017年,Skene等优化该技术开发出CUT&RUN,CUT&RUN通过微球菌核酸酶进行抗体靶向的特定蛋白质⁃DNA酶切和纯化,再测序分析,具有细胞起始量低、实验周期短和信噪比高等优点。此外,利用ATAC⁃seq对染色质开放区域的分析有助于增强子的鉴定。Tn5转座酶与Tn5转座子形成转座复合物,通过切割靶DNA序列将Tn5转座子插入其中。只有DNA与组蛋白结合松散时,Tn5转座酶才能酶切并完成转座。ATAC⁃seq利用这一特点,将改造后携带测序接头的Tn5转座酶加入细胞核中,Tn5转座酶首先在染色质开放区域进行酶切,然后再完成已知测序接头的转座,通过建库测序分析染色质可及性。有研究者使用 ATAC⁃seq结合ChIP⁃seq对含有间充质型胃癌的特征性增强子进行全基因组分析。
除了分析鉴定基因组中的增强子,还可利用MPRA、STARR⁃seq和GRO⁃seq等技术直接分析增强子的活性。经典的MPRA技术是先给待测增强子标记特有的条形码序列,再分别将每个增强子克隆到pGL4.23载体,对应的条形码序列克隆到荧光素酶基因的3′UTR,通过RNA⁃seq检测条形码序列的丰度来反映增强子的活性。作为MPRA 的升级版,STARR⁃seq技术以增强子序列本身作为条形码序列,通过自转录及丰度检测来反映增强子活性。这两种方法均是在外源性环境中批量检测全基因组具有增强子活性的DNA序列,因此无法反映内源性染色质环境的增强子活性。GRO⁃seq能够定量活性增强子合成的eRNA。它通过先冻结胞核内转录过程,再在体外恢复的方法,使体外合成的新生转录本中含有NTP类似物BrU(bromouridine),通过BrU抗体富集后建库测序,分析RNA体外合成的位置和丰度。2020年,Wang等通过分析GRO⁃seq数据,在7种肿瘤细胞系中鉴定了活性增强子。
2 增强子的靶基因鉴定及其功能研究
确定增强子的靶基因是探讨增强子生物学功能的重要环节。3C及其衍生技术为鉴定增强子的靶基因提供了重要手段。3C技术的基本原理:用甲醛固定活细胞以稳定DNA和蛋白质的相互作用后,先用合适的内切酶消化 DNA,再用连接酶连接,然后通过逆交联使DNA与蛋白质分离,提取 DNA,最后在连接位点两侧设置引物进行PCR反应,从而定性和定量检测一对一的增强子启动子相互作用。高通量染色体构象捕获(high⁃resolution chromosome conformation capture,Hi⁃C)技术的出现,使得从全基因组水平分析染色质相互作用成为可能。Hi⁃C是在3C技术的连接步骤中加入生物素标记的寡核苷酸,进行平末端连接,DNA 纯化和超声后,对寡核苷酸进行高通量测序。
利用CRISPR⁃Cas9技术敲除细胞中某段增强子序列或者通过构建sgRNA文库随机敲除基因组中的增强子元件已成为研究增强子功能的重要手段。已有研究利用CRISPR⁃Cas9技术敲除调控癌基因表达的增强子,研究增强子在肿瘤发生中的作用机制。在CRISPR⁃Cas9基础上发展起来的CRISPR⁃dCas9技术,不仅能直接改变基因组序列,还能在特定位置引入表观修饰。基于CRISPR/dCas9技术,人们通过增强子CRISPR激活(enhancer CRISPR activation,enCRISPRa)和增强子CRISPR 抑制(enhancer CRISPR interference,enCRISPRi)系统在体内局部重塑增强子,从而研究增强子的调控功能。
3 研究增强子的常用数据库
近年来数据库的开发和应用也为增强子的研究提供了便利,充分利用相关数据库将大大提高研究效率。研究增强子的常用数据库主要包括:ENCODE数据库(https://www.encodeproject.org/)和Cistrome数据库(http://cistrome.org/db/#/),其收录了许多正常组织和肿瘤组织中增强子特征性组蛋白修饰及转录因子的ChIP⁃seq和ATAC⁃seq可视化数据;EnhancerAtlas数据库(http://www.enhancerat⁃ las.org/)能够提供人、小鼠、果蝇等9 个物种的增强子注释;HACER数据库(http://bioinfo.vanderbilt. edu/AE/HACER/index.html)可通过整合GRO⁃seq数据分析eRNA 鉴定活性增强子。此外,RAEdb数据库(http://www.computationalbiology.cn/RAEdb/en⁃ hancer.html)汇集MPR和STARR⁃seq数据,可用于筛选具有调控活性的增强子。
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参考文献:
1. SKENE P J,HENIKOFF S.An efficient targeted nuclease strategy for high⁃resolution mapping of DNA binding sites [J].Elife,2017,6:e21856
3. HO S W T,SHENG T,XING M,et al.Regulatory enhan⁃ cer profiling of mesenchymal ⁃type gastric cancer reveals subtype ⁃ specific epigenomic landscapes and targetable vulnerabilities[J].Gut,2023,72(2):226-241
3. ARNOLD C D,GERLACH D,STELZER C,et al.Genome⁃ wide quantitative enhancer activity maps identified by STARR⁃seq[J].Science,2013,339(6123):1074-1077
4. WANG Y,LI J,LI J,et al.An enhancer ⁃based analysis revealed a new function of androgen receptor in tumorcell immune evasion[J].Front Genet,2020,11:595550
5. AKGOL OKSUZ B,YANG L,ABRAHAM S,et al.Sys⁃ tematic evaluation of chromosome conformation capture assays[J].Nat Methods,2021,18(9):1046-1055
6. LAFONTAINE D L,YANG L,DEKKER J,et al.Hi ⁃ C 3.0:improved protocol for genome⁃wide chromosome con⁃ formation capture[J].Curr Protoc,2021,1(7):e198
7. LI K,LIU Y,CAO H,et al.Interrogation of enhancer func⁃ tion by enhancer⁃targeting CRISPR epigenetic editing[J].Nat Commun,2020,11(1):485
8. ZHENG R,WAN C,MEI S,et al.Cistrome data browser:expanded datasets and new tools for gene regulatory analy⁃ sis[J].Nucleic Acids Res,2019,47(D1):D729-D735
9. GAO T,QIAN J.Enhancer Atlas 2.0:an updated resource with enhancer annotation in 586 tissue/cell types across nine species[J].Nucleic Acids Res,2020,48(D1):D58-D64
10. WANG J,DAI X,BERRY L D,et al.HACER:an atlas of human active enhancers to interpret regulatory variants [J].Nucleic Acids Res,2019,47(D1):D106-D112
11. 汪徐春,孙玉洁. 增强子调控异常与恶性肿瘤的关系研究进展. 南京医科大学学报