Science：新研究揭示短串联重复序列如何影响基因表达

几十年来，科学家们已经知道，“垃圾 DNA（junk DNA）”实际上起着至关重要的作用：尽管基因组中的蛋白编码基因提供了构建蛋白的蓝图，但是基因组中的一些非编码部分，包括以前被认为是 “垃圾DNA”的基因组区域，似乎可以提高或降低这些基因的表达。但人们一直不清楚某些非编码区域如何影响基因表达水平。

如今，在一项新的研究中，美国斯坦福大学医学中心生物工程副教授和遗传学副教授Polly Fordyce博士及其同事们揭开了其中的一些谜团。他们的发现可能有助于科学家们理解复杂的遗传疾病，包括自闭症、精神分裂症、癌症和克罗恩病。相关研究结果近期发表在Science期刊上，论文标题为“Short tandem repeats bind transcription factors to tune eukaryotic gene expression”。

Fordyce说，“我们早就知道短串联重复序列（short tandem repeat, STR）不是垃圾DNA，因为它们的存在与否与基因表达的变化有关。但我们还不知道它们是如何产生这些影响的。”在这项新的研究中，这些作者首次为理解STR变化如何影响基因表达提供了路线图。

不断演变的“垃圾DNA”观点

STR约占人类基因组的5%。论文第一作者、Fordyce 实验室技术员Connor Horton说，“从20世纪80年代开始，科学家们注意到这些重复序列的变化会影响基因表达。这就是我们追踪的面包屑线索。”

在这项新的研究中，这些作者研究了 STR 如何与称为转录因子的蛋白相互作用。转录因子结合在非编码DNA上，调节蛋白编码基因的表达。

Fordyce说，“科学家们花了很多时间来描述这些转录因子的特征，并找出它们最喜欢与哪些序列---所谓的基序（motif）---结合。”但目前的模型并不能充分解释转录因子何时何地与非编码DNA结合以调控基因表达。有时，没有转录因子与看起来完美的基序结合。还有一些时候，转录因子会与非基序的DNA片段结合。

Fordyce说，“为了解开转录因子为什么会与基因组中的某些地方结合而不与其他地方结合的谜题，我们需要把目光投向高度偏好的基序以外的地方。在这项新的研究中，我们发现基序周围的STR序列会对转录因子的结合产生非常大的影响，从而为这些重复序列的作用提供了线索。”

为了更好地理解STR在基因表达中的作用，这些作者将这种机制简化为最基本的部分：转录因子和裸DNA。他们使用Fordyce实验室设计的专门检测方法，并排开展数千个微小实验，从而节省了时间和金钱。这些实验比较了转录因子与成千上万个DNA序列------含有偏好基序的DNA序列，没有偏好基序的DNA序列，以及被随机序列或各种STR包围的DNA序列---的紧密程度。

STR直接结合转录因子，从而改变基因表达。图片来自Science, 2023, doi:10.1126/science.add1250。

Fordyce说，“在实验中，我们问：‘这些变化如何影响转录因子结合的强度？’。我们看到了令人惊讶的巨大影响。改变基序周围的 STR 序列对这种结合的影响可达 70 倍。”

为了发现DNA序列和转录因子如何相互作用，Horton构建出数百个发生突变的转录因子。他发现转录因子的 DNA 结合结构域变化会影响它是否能识别基序和 STR。这些作者得出结论：转录因子直接与STR中重复的核苷酸相互作用，通过它的DNA 结合结构域结合在重复的核苷酸和基序上。

有助于理解多基因疾病的模型

这些作者进行了超过 6000 次的大量实验，从而建立了控制转录因子结合的规则模型。他们的发现甚至可能帮助人们理解和模拟其他转录因子与调控基因表达的DNA非编码区之间的相互作用。

Horton说，“我们着手研究STR。但是我们开发的模型广泛适用于整个调控环境。这有助于我们更好地理解转录因子如何与调控 DNA 结合，即使不涉及STR的情形下，也是如此。”

关于非编码调控区如何影响转录因子结合的模型可以帮助人们理解这些序列在多基因疾病中的作用。Horton 说，“一段时间以来，人们已经知道短串联重复序列与某些疾病风险的增减有关。我们猜测，个体间STR的变化会导致转录因子结合量的不同，从而导致基因表达的变化，这可能与这些疾病有关。”

多年来，全基因组关联研究已将 STR 的变化与各种疾病联系起来。Horton说，“但并不清楚如何处理这些信息。我们的模型可以提出实验建议，以了解STR如何影响疾病的进展或风险。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1. Connor A. Horton et al. Short tandem repeats bind transcription factors to tune eukaryotic gene expression. Science, 2023, doi:10.1126/science.add1250.

2. Stanford Medicine-led study clarifies how ‘junk DNA’ influences gene expression
https://med.stanford.edu/news/all-news/2023/09/junk-dna-diseases.html