Genome Research | 梁凯威课题组发现天然G-四链体调控基因转录起始的新机制

 收藏

关键词：基因新机制

资讯来源：BioArt

发布时间： 2021-08-22

G-四链体 （G4）是富含鸟嘌呤的单链核酸折叠形成的一种非经典核酸二级结构，它们在进化上保守，广泛分布于端粒、基因启动子、转录因子结合位点等区域，被认为参与了基因转录、DNA复制等多种基本生命过程，并与神经退行性疾病、肿瘤等人类重大疾病密切相关。G-四链体已被视作DNA靶向治疗的重要靶点，其小分子配体也已开发并应用于抗肿瘤治疗。然而，G-四链体受其配体调控的具体机制，以及G-四链体和其配体实现生物学功能的具体机制仍不完全清楚。目前仍然缺乏全基因组层面的直接证据来阐明天然G-四链体在转录调控中的功能。

2021年8月16日，武汉大学基础医学院梁凯威课题组在Genome Research在线发表题为 Ligand-induced native G-quadruplex stabilization impairs transcription initiation 的研究论文，该研究结合G-四链体抗体BG4和CUT&Tag技术，建立了一种灵敏的天然G-四链体全基因组检测方法G4-CUT&Tag；进一步结合转录组学分析，发现了G-四链体配体诱导的G-四链体结构稳定能够快速地改变染色质状态，阻碍通用转录因子与启动子区域的结合，最终抑制基因的转录起始。

在该研究中，为了更好地在全基因组范围内检测天然G-四链体结构，作者首先将G-四链体特异性识别抗体BG4与CUT&Tag技术相结合，建立了原位G-四链体检测方法G4-CUT&Tag。相较于之前的G-四链体检测方法G4 ChIP-seq，G4-CUT&Tag所需细胞量更少，操作更简便；此外，该方法表现出更高的信噪比、更高的分辨率以及更高的检测灵敏度，检测到的G-四链体信号峰数量几乎是G4 ChIP-seq的两倍，并且这些G-四链体形成位点的分布与转录激活的表观遗传修饰如H3K27乙酰化以及H3K4甲基化有非常强的相关性。

随后，基于G4-CUT&Tag方法以及多种组学技术，作者进一步研究发现启动子近端的RNA聚合酶II分布与启动子区域G-四链体的形成能够互相影响，药物诱导RNA聚合酶II在启动子区域的暂停促进了G-四链体在启动子区域的形成，而小分子配体（TMPyP4和PDS）快速诱导G-四链体结构稳定后，RNA聚合酶II在启动子区域的分布受到明显抑制。不仅如此，G-四链体结构的稳定还会快速改变局部染色质的状态，促进DNA双链的熔解及单链的打开，并导致新生RNA合成的显著下降。最后，通过机制研究发现G-四链体配体可以稳定G-四链体结构，影响TBP、TAF1以及GTF2B等通用转录因子在启动子区域的招募，从而抑制基因转录起始。

综上，该研究提供了一种灵敏的天然G-四链体原位检测方法G4-CUT&Tag，并揭示了天然G-四链体结构、染色质状态、RNA聚合酶II分布之间的调控机制，不仅为非经典核酸二级结构的研究提供了新思路，还深化了对G-四链体生物学功能及其作为DNA靶向治疗靶点的应用潜力的理解。

武汉大学基础医学院梁凯威教授为本文通讯作者。武汉大学基础医学院博士研究生李聪慧、王红红、尹智囊和房萍萍副研究员为本文共同第一作者。

原文链接：

https://www.genome.org/cgi/doi/10.1101/gr.275431.121.

制版人：十一

转载须知

【非原创文章】本文著作权归文章作者所有，欢迎个人转发分享，未经允许禁止转载，作者拥有所有法定权利，违者必究。