Cell：基因表達調控研究新發現——YY1蛋白與增強子-啟動子間結構變化

在高等生物系統中，基因表達水平的高低具有細胞特異性，適宜的基因表達水平對細胞的生長、分化和發育有著非常重要的影響。相關的基因表達調控機制通常被認為與增強子有關。增強子與啟動子之間可相互結合併形成DNA環狀結構，轉錄因子通過與增強子結合進而可以影響到啟動子對轉錄的調控。但是，目前對增強子-啟動子間形成結合有關聯的蛋白還了解很少。近日，A.S. Weintraub等人的研究團隊在《Cell》期刊上發表了最新的研究成果，認為YY1（Yin Yang 1）蛋白是增強子-啟動子間相互結合的調控因子，而這一過程在哺乳動物系統的眾多基因中可能是普遍存在的表達調控機制。

已有證據表明：轉錄輔助因子（如Mediator）、染色體結構維持蛋白複合物（如Cohesin）、DNA結合蛋白（如CTCF）有利於染色體間相互結合的發生。其中，CTCF蛋白結合到染色體的錨點上，可使兩個錨點間的染色體形成環狀結構，成為拓撲關聯域（Topologically associating domains, TADs）。CTCF蛋白與CTCF蛋白間相關結合形成二聚體，這一現象較普遍地存在於染色體形成環狀結構的過程中。這讓作者猜測在增強子與啟動子間形成環狀結構時，很可能有與CTCF蛋白類似的調控蛋白存在。

在小鼠胚胎中，通過染色質免疫共沉澱-質譜技術（Chromatin immunoprecipitation with mass spectrometry, ChIP-MS）作者檢測到有26個轉錄因子可同時結合到增強子和啟動子上，4個轉錄因子（CTCF、YY1、NRF1和ZBTB11）經CRISPRcell-essentiality screen方法鑒定為細胞必需蛋白，而其中2個轉錄因子（CTCF、YY1）依據Genotype-Tissue Expression (GTEx)檢測數據被認為在>90%的組織中有表達。

從已有報道可知，YY1蛋白與CTCF蛋白有一些共同的特徵：兩者都屬於鋅指類轉錄因子，都是胚胎細胞和體細胞所必需的蛋白，都可以形成二聚體。但是，YY1蛋白傾向於與活躍的增強子和啟動子結合，同時也可與某些絕緣子結合；而CTCF蛋白更傾向於與絕緣子結合。

通過Chromatininteraction analysis by paired-end tag sequencing (ChIA-PET)檢測方法，作者在YY1蛋白和CTCF蛋白所結合元件的偏好性上得到了與上述報道一致的結果。利用Flag標籤融合YY1蛋白和HA標籤融合YY1蛋白共表達細胞，免疫共沉澱檢測實驗數據證實YY1蛋白可形成二聚體。同時，作者還發現YY1不僅能和DNA結合，也能和RNA結合，RNA的結合會增強YY1與相應基因表達調控元件的結合，以及YY1蛋白二聚體的穩定性。已知YY1基因在哺乳動物細胞中普遍表達，而本研究中的ChIPsequencing檢測數據則進一步證實YY1不僅與增強子-啟動子間的結合有密切關聯，還與某些絕緣子-增強子、絕緣子-啟動子間的結合偶有關聯。這些與之前的報道也是一致的。

體外DNA環化檢測實驗表明重組YY1蛋白具有DNA結合活性，並可促進DNA形成環狀結構，這一數據進一步證實YY1能夠直接影響DNA間的相互結合。

利用CRISPR/Case9基因編輯技術敲除Raf1基因和Etv4基因調控元件上的YY1蛋白結合位點基序後，發現上述兩基因的啟動子上所結合的YY1蛋白水平都有下降，增強子和啟動子間形成環狀結構的比例下降，這表明YY1蛋白的結合可能介導了增強子-啟動子間的結合。當在鼠胚胎組織中完全敲除YY1基因時，發現有8234個基因的表達水平出現了顯著變化，其中表達水平顯著上升和表達水平顯著下降的基因數量幾乎相等。

之前的研究報道認為YY1是胚胎正常發育所必需的。在本研究中，通過免疫組化染色和RNA-Seq技術，作者進一步發現缺少YY1蛋白會使調控細胞正常分化所需的master transcription factor出現表達缺陷。敲除YY1基因，會使具有YY1結合位點的增強子-啟動子間形成相互結合的比例下降，而這些元件所調控的基因中約有60%出現表達水平顯著變化。例如，YY1基因的敲除使得Slc7a5增強子-啟動子間出現結合的比例下降了約50%，Slc7a5基因的表達量下降了約27%。與此類似，YY1基因敲除後Klf9增強子-啟動子間的結合比例下降了約40%，Klf9基因的表達量下降了約50%。通過dCase9-YY1融合蛋白將YY1蛋白拉近到YY1結合位點附近，可使Etv4增強子-啟動子間的結合比例增加，並增強Etv4基因的轉錄。當通過dTAG方法在鼠胚胎細胞中破壞YY1蛋白表達後，再去除dTAG化合物使YY1蛋白恢復正常水平，發現增強子-啟動子間的結合頻率隨YY1蛋白的缺失而減少，又隨YY1蛋白表達水平的恢復而上升。上述結果表明：在整個基因組層面，YY1蛋白是增強子-啟動子間形成環狀結構的調控因子。

所發現的這一調控機制，可以很好的解釋之前文獻報道過的YY1蛋白所具有的眾多功能，如周邊前後序列特異性的活化、抑制、分化和細胞增殖等調控功效，YY1基因單倍劑量不足引起的智力低下綜合征，以及YY1基因過量表達造成的惡性腫瘤發生等。

來源：Cell：YY1 Is a StructuralRegulator of Enhancer-Promoter Loops

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