Nature：颠覆认知！转录因子“编织”结合 DNA 的新模型——重叠低亲和力位点决定基因组占据

转录因子（TFs）通过以序列特异性的方式与 DNA 相互作用来调控基因表达。高通量的体外技术，例如蛋白质结合微阵列和 HT-SELEX（高通量指数富集的配体系统进化技术），已经揭示了数百种转录因子的 DNA 结合特异性。然而，它们在可靠地识别低亲和力 DNA 结合位点方面能力有限，而这些低亲和力结合位点正日益被认为对于精确的时空基因表达调控至关重要。

2025年9月3日，哈佛医学院Martha L. Bulyk团队在Nature 在线发表题为“Multiple overlapping binding sites determine transcription factor occupancy”的研究论文，为了克服这一局限性，该研究通过体外转录和 RNA 测序（PADIT-seq）开发了蛋白质与 DNA 的亲和力技术，利用该技术全面检测了六种转录因子对所有可能的十碱基对 DNA 序列的结合偏好，发现了数百个新的低亲和力结合位点。所揭示的低亲和力结合位点的扩展范围表明，高亲和力 DNA 结合位点周围的核苷酸形成了重叠的低亲和力位点，这些位点共同调节细胞内的转录因子基因组占有率。

该研究提出了一种模型，即转录因子的结合并非由单个结合位点决定，而是由多个重叠的结合位点的总和决定。这种重叠结合模型解释了同源转录因子之间为共享高亲和力结合位点而进行的竞争是如何由侧翼核苷酸所决定的，这些侧翼核苷酸会导致形成数量不同的重叠低亲和力结合位点。关键的是，该模型改变了我们对非编码变异效应的理解，揭示了单个核苷酸变化如何同时改变多个重叠位点，从而以累加的方式影响基因表达和人类特征，包括疾病。

基因表达的调控取决于转录因子（TF）对顺式调控元件的序列特异性结合。通过高通量的体外 DNA 结合实验（如通用蛋白结合微阵列（uPBM）、高通量选择性置换实验（HT-SELEX）、基于亲和纯化的方法、特异性测序（Spec-seq）、基于微流控的实验以及细菌一融合（B1H）实验）已经对数百种转录因子进行了分析。

尽管体外关于转录因子与 DNA 结合特异性的数据在帮助理解体内转录因子占据机制方面非常有帮助，但发现基因组中与基序匹配相邻的核苷酸会改变转录因子的占据情况。研究人员提出，体外 DNA 结合数据无法完全解释体内转录因子结合的原因，可能是由于无法可靠地检测低亲和力的转录因子 - DNA 相互作用所致。

PADIT-seq 技术所揭示的低亲和力结合位点的显著增多表明，高亲和力位点两侧的核苷酸会形成更多的、重叠的低亲和力结合位点，这些位点共同影响着基因组转录因子的占据情况（图源自Nature ）

低亲和力的 DNA 结合位点分布广泛，对于在发育过程中精确控制基因表达具有重要意义。多个不重叠的低亲和力结合位点的同型聚集能够发挥调节作用，通过协同或非协同的方式增加局部转录因子的浓度，从而实现表型的稳定性。重复元件中的多个低亲和力结合位点也已被证明能够增加局部转录因子的浓度。

已经开发了几种高通量的体外结合测定方法来量化转录因子与 DNA 的相互作用强度，并识别低亲和力结合序列。然而，要确定低亲和力相互作用是否具有功能意义以及它们如何对整体转录因子占有率产生影响，仍然具有挑战性。为了填补这一空白并表征低亲和力结合位点在基因调控中可能发挥重要作用的机制，研究人员开发了 PADIT-seq 技术，这是一种高通量技术，能够以比以往高通量方法更高的灵敏度测量转录因子与 DNA 的结合偏好。

参考消息：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09472-3