近日，上海交通大学物理与天文学院和自然科学研究院的徐恒课题组在《Nature Communications》杂志发表了题为“Differential regulation of alternative promoters emerges from unified kinetics of enhancer-promoter interaction”的研究论文，首次揭示了早期果蝇胚胎hunchback基因的多个启动子实现差异性转录调控和信号整合的一般动力学机制。
基因的转录调控是一种基本的生命现象，是生物体实现各种行为和功能的重要基础。真核生物转录调控的基本模式是通过细胞内特定的转录因子识别并结合到DNA序列上特定的增强子模块，进而影响目标基因启动子的活化状态。在之前的研究中，人们对于只包含单个增强子和单个启动子的简单基因调控过程已经有了基本的定量认识。然而实际生物体中的基因大都包含多个启动子和增强子，不同模块之间的多体相互作用往往导致复杂的调控结果，难以用此前的简单模型进行准确刻画。因此，理解这种复杂调控过程背后的定量规律是当代生物物理学关注的核心问题之一。
图1. (A)hb基因及荧光标记位置示意图。（B）果蝇胚胎中hbmRNA及Bcd蛋白的荧光图像。（C）两种hb启动子与Bcd之间的调控关系。（D）两种hb启动子的Bcd结合曲线。（E）胚胎不同区域中两种hb启动子的表达量分布。（F）两种hb启动子转录调控的统一动力学框架。
在本工作中，研究人员以控制果蝇体节形成的hunchback（hb）基因为例探讨了这一问题。该基因包含两个启动子（P1和P2）和多个增强子（图1A）。根据以往的研究，该基因在胚胎发育早期主要通过特定转录因子（Bicoid (Bcd)）结合到两个增强子的方式驱动P2启动子表达，而P1启动子则保持沉默。为了揭示这两个启动子表达差异的成因，研究人员利用单细胞、单分子荧光成像方法和转基因技术精确测量了胚胎不同细胞核内单个hb基因位点上两种启动子的表达量及Bcd含量（图1B）。首次发现P1启动子在胚胎发育早期亦能被Bcd及同样的两个增强子激活；但其表达图谱与P2存在明显差异（图1C）；二者涉及不同的Bcd结合态和增强子作用方式（图1D）。
在此基础上，研究人员利用随机动力学模型分析了启动子表达与Bcd结合之间的定量关系（图1E），发现了P1和P2的表达遵循一套统一的三态动力学框架（图1F），即Bcd通过对单个增强子的结合可驱使启动子进入弱表达状态，而对于另一个增强子的进一步结合则可驱使启动子进入更强的表达态。两种启动子之间的差异源于其对不同Bcd结合态的响应：Bcd结合到任意一个增强子上即可导致P2的激活，而P1的激活则更多地依赖于两个增强子同时结合了Bcd的状态。
本工作解析了真核生物中广泛存在的多启动子差异性表达现象背后的调控机制，揭示了增强子—启动子多体相互作用可能遵循的一般动力学规律，为未来系统研究和应用复杂基因调控现象提供了新的实验思路和理论框架。
徐恒课题组的博士研究生王晶瑶为论文第一作者，博士研究生张士贺与徐恒为共同通讯作者。本工作得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划以及上海市自然科学基金的资助。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30315-6