2017，超級增強子里程碑式的一年，必看的10篇高分論文

2013年，Richard A. Young在Cell發布了他們發現的一種新型基因調控元件——「超級增強子」 (Super Enhancers)。至今不到5年，超級增強子相關研究已經屢登世界各大生物學頂級期刊。2017年IF>20的超級增強子文章超過20篇，今天Epi老師從中精選出10篇與大家分享，下面一起來了解超級增強子帶給表觀遺傳學的顛覆性發現。

1

Nature: 致癌基因增強子圖譜揭示室膜癌治療靶點

作者單位：德國NCT海德堡Hopp兒童癌症中心(KiTZ)等

PMID：2925829

Highlights：

這項研究找到了42名包含了各種不同亞型室管膜瘤患者進行實驗，來尋找可以作為靶點的超級增強子 (SEs)，並驗證靶向SEs治療癌症的可行性。

通過ChIP-seq、全外顯子測序 (WES)、全基因組測序 (WGS)、轉錄組分析、DNA複製數分析以及DNA甲基化數據，研究人員從42名室管膜瘤患者的癌細胞中找到了近1700種癌細胞依賴的SEs，以及與之相關的致癌基因。研究者將這個結果與目前已知的標準SEs資料庫進行對比，研究人員發現，這些SEs都具有顯著的腫瘤特異性，主要在腫瘤細胞中被激活，其中一些SEs還在其他類型的癌症中起作用。

通過靶向H3K27ac的ChIP-seq，從Heidelberg患者組鑒定得2,196個SEs。

隨後，為了確定這些SEs對癌細胞的重要程度，研究人員構建了shRNA對它們進行逐一篩選，最後確定了15個室管膜瘤癌細胞最依賴的SEs，缺少這15個SEs中的任意一個，癌細胞的生存能力下降至少50%。同時，在這1700個超級增強子中，有60%都是癌細胞所依賴的。這進一步證明了，SEs是理想的抗癌靶點。

研究者針對15個排名最前的室管癌SEs設計了shRNA，抑制它們的表達，發現其中每一個SE的缺失都能使癌細胞的存活率減少至少50%。

最後，研究人員將自己的實驗數據與華盛頓大學藥物與基因作用資料庫進行比對，找到了一種小分子物質，可以特異性抑制SEs對於室管膜瘤細胞內關鍵致癌基因CACNA1H的增強作用。同時，在室管膜瘤小鼠體內，研究人員發現，這種小分子物質可以使室管膜瘤小鼠生存期延長40%，並且幾乎不會影響正常組織細胞存活。

2

Nat genet:神經母細胞瘤的分化狀態

與超級增強子有關

作者單位：阿姆斯特丹學術醫學中心

Highlights：

神經母細胞瘤通常起源於神經嵴，原發於腎上腺部位的小兒腫瘤。在胚胎髮育過程中，細胞從神經嵴開始分層，腹側遷移並分化為產生腎上腺素或去腎上腺素的細胞。

神經母細胞瘤和其他兒科腫瘤中很少出現基因突變，這就激發了研究者對它們的表觀遺傳調控的興趣。部分神經母細胞瘤有著表型不一樣的細胞，之前有研究提出，SEs相關的轉錄因子 (TF) 網路是決定譜系身份的基礎，然而這些增強子在腫瘤內異質性的作用仍不清楚。

這項研究發現了大多數神經母細胞瘤主要為兩種腫瘤細胞，有著不同的基因表達譜。未分化的間充質細胞和腎上腺素能細胞可以相互轉化，就像來自不同細胞系不同時期的細胞。研究者通過ChIP-seq，分析了這兩種細胞的等位基因對，構建了它們各自的SEs圖譜以及相關轉錄因子網路。間質細胞轉錄因子PRRX1的表達可以對SEs和mRNA圖譜進行重編程，使它們的狀態由腎上腺素細胞向間充質細胞轉變。間充質細胞在體外具有更高的化學抗性，並在治療後和複發的腫瘤中富集。兩種SEs相關的轉錄因子網路，可能負責控制正常發育過程中的譜系分化，從而實現對神經母細胞瘤的表觀遺傳調控，並形成瘤內異質性。

3

Nat genet:通過轉錄通路定義神經母細胞瘤細胞身份的異質性

作者單位：法國國家健康與醫學研究院(INSERM)

PMID：2925829

Highlights：

這項研究構建了神經母細胞瘤的SEs圖譜，發現了三種神經母細胞瘤細胞系：第1種，交感神經去甲腎上腺素能身份，特徵是具有CRC (核心調節通路) 模塊，包括PHOX2B、HAND2和GATA3轉錄因子；第2種，多能神經嵴細胞 (NCC) 樣身份，由含有AP-1 轉錄因子的CRC模塊主導；第3種，混合型，在單細胞水平上進一步去卷積。用化療藥物對混合型治療，會讓NCC樣細胞富集。通過ChIP-seq可鑒定去甲腎上腺素能模塊。功能研究顯示，神經母細胞瘤的去甲腎上腺素身份需要PHOX2B的存在。大多數神經母細胞瘤原發性腫瘤都表達來自去甲腎上腺素能和NCC樣模塊的轉錄因子。以上數據闡述了一個未曾報道過的腫瘤異質性情況，這有利於更好地選擇神經母細胞瘤的治療策略。

b. Chip-seq結果表明PHOX2BSEs上結合有PHOX2B、HAND2、GATA3和H3K27ac；e. 抑制PHOX2B表達(轉染shPHOX2B)，CLB-GA腫瘤細胞生長減緩。

4

Cancer Cell: 兒童腦幹膠質瘤DIPG的轉錄特徵

作者單位：上海交通大學

PMID：8434841

Highlights：

兒童腦幹膠質瘤DIPG是一種惡性兒童腫瘤，治療方法有限。研究者唐玉傑在2013年發現約80% DIPG中存在H3K27M組蛋白突變，導致致癌基因的轉錄不受限制，為解析DIPG的發病機制開闢了表觀遺傳新方向；2015年唐還發現了一個獲FDA批准的表觀遺傳藥物，組蛋白去乙醯化酶 (HDAC) 抑制分子panobinostat，能在預臨床腫瘤模型中有效治療DIPG，為DIPG的靶向治療提供了表觀遺傳新思路。該藥物目前已經進入I期人體臨床試驗，是根據預臨床試驗結果開展DIPG靶向藥物臨床試驗的重大突破。

在這項研究中，唐發現DIPG對抑制轉錄的bromodomain抑製劑和CDK7阻斷劑敏感，這兩類藥物均與panobinostat具有協同殺傷腫瘤的效果，且對HDAC抑製劑治療耐葯的DIPG細胞也對CDK7阻斷劑敏感。研究者鑒定了DIPG的SEs，進一步了解了細胞的起源，表明DIPG可能起源於少突膠質前體細胞。通過對腫瘤SEs調控基因的研究，研究者鑒定出重要的致癌分子機制和潛在藥物靶標，尤其是意外的發現鉀離子通道和EPH受體等相關基因在DIPG腫瘤存活與侵襲中具有重要功能。該研究為深入理解DIPG的腫瘤發生機制和開發新的靶向治療策略提供了重要的參考。

對3種DIPG H3.3K27M培養物 (SU-DIPG-VI等) 以及突變株SU-DIPG-IV 進行靶向H3K27ac的ChIP-seq分析。

EPH受體和ephrins與DIPG的一個SE有關。填充了顏色的代表與所示的細胞培養物的SE相關。

5

Nat immunol: STAT5對B細胞增強子網路的拮抗作用導致白血病和患者低存活率

作者單位：美國明尼蘇達大學

Highlights：

轉錄因子STAT5對B細胞急性淋巴白血病 (B-ALL) 起著重要的作用，但是人們尚不清楚STAT5是如何參與這個過程的。這篇文章的研究人員首先對異常的癌化的B細胞進行靶向STAT5的ChIP-Seq分析，發現STAT5傾向於結合一些特定的基因片段。在正常的B細胞分化過程中，這些基因片段本來是受其他的轉錄因子NF-κB和IKAROS所調節靶基因的表達。

通過靶向STAT5的ChIP-seq鑒定SEs，還發現STAT5在B細胞祖細胞的SEs上參與調節性B細胞轉錄網路，且大量的STAT5與這些SEs結合，是B-ALL的一個顯著特徵。此外，STAT5的異常高表達，會與NF-κB和IKAROS競爭獲得轉錄因子。在轉化的人B細胞中，STAT5與基因結合，同時與NF-κB和IKAROS重疊，從而大大增強了B細胞祖細胞的存活率，增殖和分化的基因表達，表現為不受控制的過度增殖分化，從而導致癌變。

STAT5與B細胞祖細胞的數個SEs結合，抵抗IKAROS對

myc位點的調控。

最後，對B-ALL患者的樣本進行分析，顯示STAT5: IKAROS或STAT5: NK-κb的比值越高，其疾病越嚴重，預後越不良。未來可開發靶向針對STAT5激活的藥物，有效阻止白血病的發生；或者通過檢測患者體內STAT5等蛋白質水平，預測治療方法的有效程度和機體反映。

6

Cell: miRNA整合網路分析揭示超級增強子介導的RNA調控途徑

作者單位：麻省理工學院MIT

Highlights：

這項研究發現，SEs通過增強轉錄和Drosha/DGCR8介導的初級miRNA (pri-miRNA)加工過程，促進對細胞身份識別起著重要作用的miRNA生成。通過SEs和廣泛的(broad)H3K4me3結構域可構建組織特異的、進化保守的miRNA表達圖譜以及miRNA功能。利用CRISPR/Cas9對基因組進行編輯，揭示SEs的各個組分一起協作，促進Drosha/DGCR8的募集和pri-miRNA加工過程，提高細胞特異的miRNA的生成。BET-bromodomain抑製劑JQ1抑制了SEs指導的共轉錄pri-miRNA加工過程。此外，SEs與DGCR8/Drosha以及DGCR8/Drosha調控的mRNA有著普遍的相互作用，表明有獨特的RNA調控著SEs。最後，多種與腫瘤標誌物有關的miRNA上都有SEs。這項研究揭示了miRNA的生理和病理生物學原理，還發現了轉錄以外的RNA加工過程中有著大量的SEs。

SEs標記了大量的miRNA。

通過CRISPR/Cas9將miR-290-295 SE的組件6刪除後，從頭生成的成熟miRNA產量顯著下降。

在2016年，復旦大學於文強研究團隊已發現，許多miRNA自身在基因組的位置與增強子區域高度重合，這些miRNA大多能定位於細胞核內，與增強子結合，並在全基因組的水平上激活基因表達。

7

Nature immunol: Satb1依賴性超級增強子可指導調節T細胞發育

作者單位：大阪大學免疫學前沿研究中心(IFReC)

Highlights：

許多Foxp3+調節T細胞(Treg細胞) 都在胸腺發育為功能成熟的T細胞亞群，具有免疫抑制的作用。它們在Foxp3 表達前就被決定好細胞身份； 而主要的Foxp3-Treg前體細胞的分子機制仍不明確。在分析Treg細胞發育途徑的過程中，研究人員發現Satb1的表達水平在Treg細胞發育之前達到最高，在發育之後降低。進一步的研究顯示Satb1能結合到T細胞發育有關的SEs上，但只有針對能分化成Treg細胞的祖細胞，而不是Treg細胞本身。因此研究人員指出，Satb1也許調控了Treg細胞生成之前的表觀遺傳變化。接下來，研究人員還發現缺失了「基因組織者」Satb1的小鼠，Treg細胞的發育會受損，而且小鼠會出現自身免疫性疾病的癥狀，而且這些小鼠祖細胞的SEs活性減弱，從而導致Treg細胞發育所需基因表達減少。以上數據表明Satb-1依賴性Treg-SE的激活對Treg細胞在胸腺的譜系特異性是至關重要的，它被擾亂是自身免疫性疾病以及其他免疫疾病的成因。

Satb1依賴性T

reg-SE的構建(establishment)以及它對發育中的胸腺來源Treg細胞轉錄變化的控制。

振奮人心的表觀研究新技術

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Nature: 繪製基因組結構圖譜，發現複雜的多增強子間的接觸

作者單位：德國Max-Delbru?ck分子醫學中心

Highlights：

細胞核內的基因組的結構，基因與調控元件的相互作用，都是轉錄調控的關鍵，如果被破壞了可能會導致疾病。這篇文章報道了對全基因組進行染色質接觸及3D染色質拓撲特徵進行測量的方法：基因組結構測繪 (GAM)。這項技術先快速冷凍組織或細胞，切割成單個細胞核的薄片，每片細胞核內的微量DNA被單獨測序，再利用該研究團隊研發的數學模型SLICE，來識別彼此活動頻繁的DNA熱點。該模型著眼於不同基因組區域出現的頻率，來推斷基因和增強子的相對位置。

研究者利用GAM測繪了小鼠胚胎幹細胞，利用SLICE數學模型，發現序列上距離較遠的活性基因和增強子間有複雜的相互作用，GAM進一步強調了基因表達特異性的接觸在組織哺乳動物細胞核基因組中的重要作用。

利用這項技術，研究人員可以發現與基因有接觸的調節區域，這對疾病增強子研究等課題都十分重要，GAM能夠準確地檢測和量化某些在基因組中大量表達的基因之間的「三向接觸」。

GAM技術概念圖

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下一個研究熱點，超級增強子

Epi老師總結

目前國內生物和醫學界有什麼科研研究熱點？circRNA、外泌體等等，大家都耳熟能詳。對於超級增強子，你或許只是聽過，還沒仔細了解；或者你已經投身與其中，領略到超級增強子重大的研究意義。讀罷介紹的10篇文章，Epi老師也再次為超級增強子對腫瘤等疾病發生髮展的巨大作用而驚嘆：這或許真的能為這些疾病帶來攻克的突破口！此外，通過超級增強子，miRNA不止對基因不止是抑制，還有激活作用！這也是令miRNA研究者著迷的一個新方向。2018年，了解超級增強子還不晚，公眾號留言寫下你的郵箱地址，我們會給你發送超級增強子鑒定技術手冊+備戰NSFC手冊+本文10篇原文，不要錯過下一個研究熱點！

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