Science：新研究揭示短串聯重復序列如何影響基因表達

　　幾十年來，科學家們已經知道，“垃圾 DNA（junk DNA）”實際上起著至關重要的作用：盡管基因組中的蛋白編碼基因提供了構建蛋白的藍圖，但是基因組中的一些非編碼部分，包括以前被認為是 “垃圾DNA”的基因組區域，似乎可以提高或降低這些基因的表達。但人們一直不清楚某些非編碼區域如何影響基因表達水平。

　　如今，在一項新的研究中，美國斯坦福大學醫學中心生物工程副教授和遺傳學副教授Polly Fordyce博士及其同事們揭開了其中的一些謎團。他們的發現可能有助于科學家們理解復雜的遺傳疾病，包括自閉癥、精神分裂癥、癌癥和克羅恩病。相關研究結果近期發表在Science期刊上，論文標題為“Short tandem repeats bind transcription factors to tune eukaryotic gene expression”。

　　Fordyce說，“我們早就知道短串聯重復序列（short tandem repeat, STR）不是垃圾DNA，因為它們的存在與否與基因表達的變化有關。但我們還不知道它們是如何產生這些影響的。”在這項新的研究中，這些作者首次為理解STR變化如何影響基因表達提供了路線圖。

　　不斷演變的“垃圾DNA”觀點

　　STR約占人類基因組的5%。論文第一作者、Fordyce 實驗室技術員Connor Horton說，“從20世紀80年代開始，科學家們注意到這些重復序列的變化會影響基因表達。這就是我們追蹤的面包屑線索。”

　　在這項新的研究中，這些作者研究了 STR 如何與稱為轉錄因子的蛋白相互作用。轉錄因子結合在非編碼DNA上，調節蛋白編碼基因的表達。

　　Fordyce說，“科學家們花了很多時間來描述這些轉錄因子的特征，并找出它們最喜歡與哪些序列---所謂的基序（motif）---結合。”但目前的模型并不能充分解釋轉錄因子何時何地與非編碼DNA結合以調控基因表達。有時，沒有轉錄因子與看起來完美的基序結合。還有一些時候，轉錄因子會與非基序的DNA片段結合。

　　Fordyce說，“為了解開轉錄因子為什么會與基因組中的某些地方結合而不與其他地方結合的謎題，我們需要把目光投向高度偏好的基序以外的地方。在這項新的研究中，我們發現基序周圍的STR序列會對轉錄因子的結合產生非常大的影響，從而為這些重復序列的作用提供了線索。”

　　為了更好地理解STR在基因表達中的作用，這些作者將這種機制簡化為最基本的部分：轉錄因子和裸DNA。他們使用Fordyce實驗室設計的專門檢測方法，并排開展數千個微小實驗，從而節省了時間和金錢。這些實驗比較了轉錄因子與成千上萬個DNA序列------含有偏好基序的DNA序列，沒有偏好基序的DNA序列，以及被隨機序列或各種STR包圍的DNA序列---的緊密程度。

　　STR直接結合轉錄因子，從而改變基因表達。圖片來自Science, 2023, doi:10.1126/science.add1250。

　　Fordyce說，“在實驗中，我們問：‘這些變化如何影響轉錄因子結合的強度？’。我們看到了令人驚訝的巨大影響。改變基序周圍的 STR 序列對這種結合的影響可達 70 倍。”

　　為了發現DNA序列和轉錄因子如何相互作用，Horton構建出數百個發生突變的轉錄因子。他發現轉錄因子的 DNA 結合結構域變化會影響它是否能識別基序和 STR。這些作者得出結論：轉錄因子直接與STR中重復的核苷酸相互作用，通過它的DNA 結合結構域結合在重復的核苷酸和基序上。

　　有助于理解多基因疾病的模型

　　這些作者進行了超過 6000 次的大量實驗，從而建立了控制轉錄因子結合的規則模型。他們的發現甚至可能幫助人們理解和模擬其他轉錄因子與調控基因表達的DNA非編碼區之間的相互作用。

　　Horton說，“我們著手研究STR。但是我們開發的模型廣泛適用于整個調控環境。這有助于我們更好地理解轉錄因子如何與調控 DNA 結合，即使不涉及STR的情形下，也是如此。”

　　關于非編碼調控區如何影響轉錄因子結合的模型可以幫助人們理解這些序列在多基因疾病中的作用。Horton 說，“一段時間以來，人們已經知道短串聯重復序列與某些疾病風險的增減有關。我們猜測，個體間STR的變化會導致轉錄因子結合量的不同，從而導致基因表達的變化，這可能與這些疾病有關。”

　　多年來，全基因組關聯研究已將 STR 的變化與各種疾病聯系起來。Horton說，“但并不清楚如何處理這些信息。我們的模型可以提出實驗建議，以了解STR如何影響疾病的進展或風險。”