Nature：重大进展！首次揭示蛋白BANP与基因组的CGCG基序结合，从而激活必需基因表达

2021年7月19日讯/生物谷BIOON/---称为转录因子的蛋白质作为开关，调节附近基因的表达，但是这些基因开关的一些身份迄今仍然是神秘的。如今，瑞士弗雷德里克-米歇尔生物医学研究所的Dirk Schübeler博士及其团队鉴定出一种新的开关，它可以调控小鼠和人类基因组中的必需基因。识别缺失的基因开关及其功能对于全面了解健康和疾病的分子基础至关重要。相关研究结果近期发表在Nature期刊上，论文标题为“BANP opens chromatin and activates CpG-island-regulated genes”。

如果人类基因组是一家公司，转录因子将是最高级别的管理者，控制特定细胞中的哪些基因被激活和何时被激活。这些蛋白质通常与称为“基序”的DNA短片段结合。科学家们估计有多达2800种转录因子，但只有大约800种转录因子的结合基序被确定。

一种没有已知转录因子结合的DNA基序被称为CGCG元件，它包含两个位于鸟嘌呤核苷酸（G）旁边的胞嘧啶核苷酸（C）。这种DNA基序与人类组织中的高表达基因有关，并且通常在我们体内大多数基因开始被读取的特定DNA调控区域内发现。

然而，发现哪些转录因子在活细胞中结合特定的DNA序列一直是一个挑战，这是因为DNA调控区域通常包含多个基序。为了研究结合CGCG基序的蛋白质，Schübeler团队的两名研究员Ralph Grand和Lukas Burger使用了一种叫做单分子足迹的技术，这种技术以前由Schübeler团队推进。通过绘制被蛋白质阻挡的DNA区域和没有被蛋白质阻挡的DNA区域，这种技术使他们发现了与CGCG基序结合的未知因子的“足迹”。

为了确定与这一足迹相关的因子，这些作者打开了活细胞的细胞核并取出了它们的内含物。然后，他们用CGCG基序作为诱饵，钓出与之结合的蛋白质。他们利用质谱技术（一种通过质量和电荷识别分子的技术）检测到Btg3相关核蛋白（Btg3-associated nuclear protein, BANP）是唯一与CGCG基序结合的蛋白质。

Grand说，“这种蛋白质以前就已经知道了，但它被认为是在细胞核的外围抑制基因活性。我们发现，它的作用恰恰相反：它是一个非常有力的基因表达激活剂。”

远在天边近在眼前

Schübeler团队发现，在小鼠和人类细胞中，BANP对CGCG基序有很高的亲和力。在干细胞中去除BANP会导致一些基因的表达减少，包括参与诸如转录、DNA复制和染色质组装之类的关键生物过程的重要基因。他们观察到，当BANP在神经元中被移除时，基因表达也出现了类似的下降。

在与基因组内的特定调控区域结合后，BANP使DNA可被其他蛋白质访问。这可能有助于调节因子结合和控制基因表达。这一发现可能重新定义了必需基因的控制方式。Grand说，“这些基因在身体的每个细胞中都有表达，但水平不同，它们可能由存在于所有细胞中的同一个开关来调节，而不是由不同细胞类型中的一系列转录因子来调节。”

BANP结合小鼠基因组中的孤儿CGCG元件，图片来自Nature, 2021, doi:10.1038/s41586-021-03689-8。

尽管BANP在调节基因表达方面起着关键作用，但它一直隐藏在众目睽睽之下。Schübeler说，“我们认为这是因为BANP是如此重要：触碰它，细胞就会死亡。”他补充说，“这使得我们很难通过任何一种基因筛查方法来识别它，这让我们怀疑是否有更多这样的因子因为同样的原因而被我们所忽略了。”

癌症联系

进一步的实验表明，BANP只有在CGCG基序没有被甲基化时才会与DNA结合。DNA甲基化是一种化学修饰，可以抑制基因的活性。在显示出异常DNA甲基化模式的人癌细胞中，BANP与含有未甲基化的CGCG基序的调节区域结合，但不与含有甲基化的CGCG基序的调节区域结合。Burger说，“这引出了一个有趣的想法。DNA甲基化可能调节BANP可以结合的地方，从而影响基因的表达方式。”

Schübeler说，了解BANP和其他因子如何与DNA结合可能对生物医学有重要影响，因为调控区域发生的遗传变异可以决定一些人是否更容易患病。科学家们描述的开关越多，他们就越能理解基因组调控区域包含什么类型的信息，改变这些信息如何能导致疾病，以及这些开关如何能被用来控制基因表达。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Ralph S. Grand et al. BANP opens chromatin and activates CpG-island-regulated genes. Nature, 2021, doi:10.1038/s41586-021-03689-8.