DNA序列介导的转录因子协作机制
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俊宝宝
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2024-2-6

真核生物转录因子发挥作用主要是通过结合在特定的DNA序列上,并招募共作用因子,调控基因的转录【1,2】。机体中存在一些特殊的复合DNA序列,它们能够结合不同的转录因子,这些转录因子排列在一起,彼此间不存在较强的结合,但还能促进彼此与DNA的结合并共同调控一些靶基因的表达【3,4】。目前,研究人员对这种复合DNA的作用模式还未探究清楚【5,6】,因为缺乏明确的复合DNA序列例子进行探索

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近日,来自斯坦福大学的Joanna Wysocka团队在Cell杂志发表了文章DNA-guided transcription factor cooperativity shapes face and limb mesenchymes他们之前发现了一个复合DNA序列“Coordinator”,具有bHLH(basic helix-loop-helix)和HD(homeodomain)家族转录因子结合区域,利用这个复合DNA序列,研究团队对其作用模式进行了详细的探索。

 

研究人员首先对“Coordinator”的表达组织进行了筛选,发现其主要在由颅神经嵴细胞组成的胚胎面部隆起、胚胎肢芽细胞中表达,在神经母细胞瘤和成纤维细胞中也有少量表达。接下来研究人员对Coordinator上结合的转录因子进行了筛选,主要依据以下两个原则:一是能与E-box(bHLH转录因子结合基序)或者HD基序结合;二是在Coordinator表达的细胞类型中同样具有高水平的表达。依据上述两个原则,研究人员首先对E-box结合转录因子进行了检测,发现转录因子TWIST1能够结合E-box,且与Coordinator的表达谱具有高度的正相关性,体内实验也验证了上述信息。之后,研究人员又对HD结合的转录因子进行了筛选鉴定,发现没有任何一个转录因子的表达能与Coordinator的表达谱完全一致,每种细胞中都表达一些能够与HD结合的转录因子,但也有一些不表达。

之后,研究人员对Coordinator和TWIST1以及HD转录因子的结合模式进行了检测。结果显示,TWIST1能够与多个不同的HD转录因子一块儿结合在Coordinator位点,包括ALX4, ALX1, MSX1和PRRX1等。TWIST1促进了这些HD转录因子在Coordinator位点的结合,促进了染色体的可及性以及H3K27ac的修饰增强,敲除TWIST1会抑制染色体的可及性状态以及H3K27ac的修饰程度。另外,HD转录因子的结合对于染色体的可及性也是非常关键的,敲除ALX1会影响染色体上6195个位点的可及性,敲除ALX4影响4284个位点,敲除MSX1影响1410个位点,敲除PRRX1则对染色体可及性没有影响,说明了这些HD转录因子对于染色体状态的不同调控作用。

研究人员还发现,敲除HD转录因子后,TWIST1倾向于从Coordinator位点转移到另外的双E-box位点进行结合。接下来,研究人员通过转录组分析了TWIST1和ALX转录因子调控的基因,结果显示,TWIST1敲除会导致神经嵴的一个marker基因SOX10的表达升高,而敲除ALXs则导致面部后部调控相关基因表达的升高以及面部前部调控相关基因的表达下调。也有一些基因是两种转录因子都能调控的,比如MSX1,这个基因在面部和肢芽组织中表达,在TWIST1或者ALXs敲除后都表达下降。

接下来,研究人员发现,TWIST1和HD转录因子能在Coordinator基序介导下发生联系,并通过冷冻电镜解析了TWIST1-TCF4和Coordinator以及ALX4的复合物,整体分辨率为2.9埃。结构显示,TWIST1结合在E-box位点,而ALX4结合在HD位点,TWIST1的一个loop与ALX4之间主要通过一个氢键发生联系,另外还有一些较弱的氢键促进了两者的联系。进一步的分析显示,TWIST1-ALX4之间的协同作用,除了彼此之间较弱的蛋白相互作用之外,Coordinator的序列特异性以及其折叠结构也发挥了关键作用。对Coordinator序列的突变,无论是突变HD基序的氨基酸位点,还是改变HD序列和E-box之间连接序列的长度都会导致TWIST1与ALX4之间的协同作用减弱或者失效。最后,研究人员发现,Coordinator介导的复合转录因子调控了人的面部形状等性状。

总之,本研究通过对一个复合转录因子结合位点Coordinator的详细研究,揭示了转录因子TWIST1和HD转录因子之间只存在弱的蛋白相互作用的情况下是如何通过Coordinator实现协同促进转录的,本文为类似复合转录因子结合位点的研究提供了很好的借鉴。

原文链接:

https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.12.032

参考文献:

1. Kim, S., and Wysocka, J. (2023). Deciphering the multi-scale, quantitative cis-regulatory code. Mol. Cell 83, 373–392.

2. Lambert, S.A., Jolma, A., Campitelli, L.F., Das, P.K., Yin, Y., Albu, M., Chen, X., Taipale, J., Hughes, T.R., and Weirauch, M.T. (2018). The Human Transcription Factors. Cell 172, 650–665.

3. Morgunova, E., and Taipale, J. (2017). Structural perspective of cooperative transcription factor binding. Curr. Opin. Struct. Biol. 47, 1–8.

4. Jolma, A., Yin, Y., Nitta, K.R., Dave, K., Popov, A., Taipale, M., Enge, M., Kivioja, T., Morgunova, E., and Taipale, J. (2015). DNA-dependent formation of transcription factor pairs alters their binding specificity. Nature 527, 384–388.

5. Li, P., Spolski, R., Liao, W., Wang, L., Murphy, T.L., Murphy, K.M., and Leonard, W.J. (2012). BATF-JUN is critical for IRF4-mediated transcription in T cells. Nature 490, 543–546.

6. Luna-Zurita, L., Stirnimann, C.U., Glatt, S., Kaynak, B.L., Thomas, S., Baudin, F., Samee, M.A.H., He, D., Small, E.M., Mileikovsky, M., et al. (2016). Complex Interdependence Regulates Heterotypic Transcription Factor Distribution and Coordinates Cardiogenesis. Cell 164, 999–1014.

来源:BioArt

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