人类癌细胞中转录活性增强子的全基因组图谱研究

作者及机构
本研究由Katja Lidschreiber（马克斯·普朗克生物物理化学研究所、卡罗林斯卡学院）、Lisa A. Jung（卡罗林斯卡学院）、Henrik von der Emde（马克斯·普朗克生物物理化学研究所）等共同完成，通讯作者为Patrick Cramer和Michael Lidschreiber。研究于2021年发表于*Molecular Systems Biology*期刊（DOI: 10.15252/msb.20209873）。

学术背景
增强子（enhancer）是调控基因表达的关键非编码DNA元件，其异常活动与癌症发生密切相关。然而，传统方法（如染色质开放性或组蛋白修饰标记）难以准确识别功能性增强子及其靶基因。本研究利用瞬态转录组测序技术（Transient Transcriptome Sequencing, TT-seq），在14种人类癌细胞系（覆盖7种癌症类型）中系统绘制了转录活性增强子图谱，并解析了其与癌症基因调控的关系。研究目标包括：（1）鉴定转录活性增强子；（2）建立增强子-启动子（enhancer-promoter, E-P）配对关系；（3）揭示增强子突变在癌症中的潜在作用。

研究流程与方法
1. TT-seq实验设计
- 样本处理：14种癌细胞系（包括脑癌、乳腺癌、结直肠癌等）在4-硫尿苷（4SU）标记5分钟后提取新生RNA，通过链特异性文库构建和Illumina测序获得高灵敏度转录组数据。
- 数据分析：使用GENOSTAN算法（一种基于隐马尔可夫模型的基因组分割工具）识别转录单元（Transcription Units, TUs），将TUs分为mRNA和非编码RNA（ncRNA），后者进一步分类为上游反义RNA（uaRNA）、双向RNA等。

1. 增强子鉴定

   • 筛选标准：ncRNA需位于启动子区外（TSS±1 kb以外），且与已知增强子区域（通过H3K27ac、H3K4me1等组蛋白修饰定义）重叠。双向转录的ncRNA被优先视为增强子RNA（eRNA）。
     
   • 验证：通过DNase-seq、转录因子结合（ChIP-seq）及STARR-seq（一种高通量增强子活性报告系统）验证增强子功能，发现TT-seq定义的增强子中14%在STARR-seq中显示活性。
     

2. 增强子-启动子配对

   • 策略：采用三种方法：（1）最近邻法（nearest）；（2）相关性邻近法（correlated neighboring, CN）；（3）相关性窗口法（correlated window, CW），基于转录活性跨细胞系的Pearson相关性（r>0.6）配对。
     
   • 三维基因组支持：通过启动子捕获Hi-C（promoter capture Hi-C, Chi-C）验证，34.1%的CN配对和27%的CW配对存在物理相互作用。
     

3. 癌症突变分析

   • 数据整合：从GWAS目录中提取2,459个癌症相关SNP，发现8.3%位于转录增强子区（占基因组3.6%），显著富集（p<0.001）。
     

主要结果
1. 增强子转录特征
- 鉴定出平均每个细胞系约9,000个eRNA，其转录方向性与细胞类型特异性高度相关（median r=0.59）。
- 超级增强子（super-enhancer）的eRNA转录水平和长度显著高于典型增强子（p<0.001，Mann-Whitney U检验）。

1. E-P配对网络

   • 通过CW方法获得41,211对E-P关系，其中51%的增强子跳过邻近启动子调控远端基因（如MYC基因受300 kb外增强子调控）。
     
   • 癌症基因（如BMP4）的启动子倾向于与多个增强子配对（平均4.3个），且配对数量与基因表达特异性正相关（p<2.2e-16）。
     

2. 突变富集

   • 增强子区癌症SNP富集（OR=1.53），尤其在与癌症基因配对的增强子中（OR=1.69，p=0.013）。
     

结论与价值
本研究提供了首个跨多癌种的转录活性增强子资源，揭示了增强子通过协同调控（如多增强子单启动子模式）驱动癌症基因表达的机制。其科学价值在于：（1）开发了基于TT-seq的增强子功能注释新方法；（2）为癌症非编码区突变研究提供靶点；（3）E-P配对策略为基因调控网络解析树立新范式。应用上，该资源可辅助筛选癌症治疗靶点（如PHLDA1增强子簇）。

亮点
1. 技术创新：TT-seq克服了传统RNA-seq对不稳定eRNA检测的局限，灵敏度提升6倍。
2. 发现新颖性：揭示增强子转录方向性在细胞间保守性，挑战了“增强子转录为随机噪声”的假说。
3. 资源全面性：公开了5,296对癌症相关E-P配对（覆盖82%癌症基因普查条目），支持后续功能研究。

其他价值
研究还发现eRNA可能通过招募染色质重塑复合物（如YY1、SP1）维持增强子活性，为理解非编码RNA功能提供了新视角。