文献分享——转录调控基础知识

文献分享——转录调控基础知识 by 生信小知识

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前言

从去年8月份左右到现在，公众号的更新基本算是停止了，主要原因是因为要毕业了，而自己又没什么东西可以毕业，所以一直在利用自己学到的生物信息学技术来想办法毕业。终于，经过了小半年，文章差不多了，所以，生信小知识的分享又开始了~

最近想学习下ChIP-seq的分析，为了能够更好地理解分析出来的结果，所以有必要先补习下转录调控相关知识啦~

这里就直接看一篇综述来补习下吧！

Title: Transcriptional enhancers: from properties to genome-wide predictions

Journal: Nature review genetics

Download_url: https://www.nature.com/articles/nrg3682

这篇文章写的还是很棒的！内容也超级多，所以，内容注定会很长了~

我就按照综述的结构，分章节归纳总结。

当然了，我还是主要记录我自己不懂的地方，如果想要彻底学习理解，当然要自己去看原文了！

0. 美图

其实这篇文章中，最精彩地方之一就是他的配图了！超级好看，且清晰明了。这里先放上图，如果看不懂请结合后面的内容理解这些图。如果看懂了，后面的内容则可看可不看啦~

Figure1

Figure 1 | Enhancers and their features.

Figure2

Figure 2 | Chromatin accessibility and histone marks at regulatory elements.

Figure3

Figure 3 | Genomic methods for predicting enhancers through the detection of transcription factor binding, ‘open’ chromatin, chromatin marks, or long-range contacts.

1. Main

核心启动子：保证RNA聚合酶Ⅱ转录正常起始所必需的、最少的DNA序列，包括转录起始位点及转录起始位点上游TATA区（这句话来自百度百科）。能够招募RNA聚合酶Ⅱ转录机器。但是只有核心启动子的存在，转录活性非常弱，而增强子/顺式作用元件则可以调控转录活性。
最早的增强子是30多年前在SV40病毒（猿猴病毒40）基因组上发现的，他们发现在病毒gDNA序列中的一段72bp长的序列可以提高HeLa细胞中一个reporter基因的表达升高几百倍。
增强子序列包含一小段DNA motif序列，这段序列可以让转录因子（TF）结合上来。而后TF招募其他co-factors（包括co-activators和co-repressors），TF和co-factors共同决定了增强子调节转录的活性。
增强子的活性还被证明和染色质状态相关（常/异染色质），并且与染色质的组蛋白修饰密切相关。
关于组蛋白修饰的总结：

转录状态	Markers	Markers
Active promoter	H3K4me3	H3K27Ac
Active enhancer	H3K4me1	H3K9Ac
Repressor	H3K9me3	H3K27me3
Transcribed gene body	H3K36me3

增强子有几个非常神奇的特性被很多研究者证实：
(1) 增强子发挥作用时独立于靶基因的距离和方向。也就是增强子可以距离靶基因非常远，且增强子可以位于靶基因的下游，而不局限于上游。
(2) 增强子可以位于基因组任何位置，即使在异染色质区域也不影响其发挥作用。
(3) 增强子以模块的形式发挥作用。同一个基因可能同时会受到多个增强子的影响。

2. Predictions using motifs and conservation

在转录过程中，一些转录因子等可以与DNA结合的蛋白通过在gDNA上进行“扫描”，从而识别出Enhancer的位置。
这些可以与DNA结合的蛋白质，他们与DNA结合的区域一般来说只有6-10bp的长度。并且在这6-10bp的范围内，在某些位置上的碱基可以有多种不同的类型（这个叫做‘degenerate’ positions，翻译为“简并位置”）。
上面说到的蛋白质（例如TF）与DNA结合的序列，通过一定的方法被归纳总结为了一个序列，这个序列就称为TF的motif序列。如果motif上序列发生突变，则于此处结合的Enhancer活性也会消失。
根据目前的认识：每个TF有他们自己偏爱的motif序列。这使得我们在整个gDNA上预测寻找Enhancer更容易。目前在记录motif序列上，一般使用PWM（https://www.jianshu.com/p/04b58d609070这里讲的还不错，至少我都看懂了）。这里简单记录下关于motif的记录方式：
Matrix-based（矩阵方法）：用矩阵将每个位置的A，G，C，T的量都表示出来。根据Matrix-based记录方法，我们可以换算得到count-matrix，PFM（position frequency matrix）和PWM（position weight scoring）

Count matirx是每个位置计数得来的
PFM是每个位置的百分比得来的
PWM是通过取对数得来的

目前一些常用的motif数据库：

TRANSFAC：10.1093/nar/gkj143（doi）
JASPAR：10.1093/nar/gkp950（doi）
UniPROBE：10.1093/nar/gkn660（doi）

但是通过motif在寻找Enhancer并不是非常完美的方法，以6bp的motif来说，在整个基因组上，每4⁶bp = 4096 bp就会出现一次。而只有很小一部分是真正有功能作用的Enhancer。
motif的功能是招募TF，而招募到的TF反过来招募co-factors。

3. Predictions from regulator binding

ChIP-seq实验通过化学交联与它们的体内结合位点共价连接，然后打断成为小片段，通过抗体识别TF，从而拖拽获取TF连接的DNA片段。
ChIP-exo实验则在ChIP-seq的基础上，将TF结合的两侧翼多余序列用外切酶去除，只保留与TF直接结合的部分去测序。
对于经典的TF来说，通过ChIP-seq一般会发现TF结合在Promoters，Introns或者Intergenic区域。而且对于ChIP-seq的结果来说，因为ChIP-seq拉下来的都是直接与TF结合的位点，所以一般来说结果假阴性的机会很低。但是，并不是所有TF直接结合的地方都是有功能的，有时候TF可以结合在DNA上，但是却不影响基因的表达。
为了有很多地方有TF结合，但是却没有什么功能（可能的假设）：

TF结合后可以激活Enhancer，但是只有一个TF结合可能不足以激活转录。
TF对于DNA有广泛的亲和力，即使不是TF匹配的motif，也可以短暂、低亲和力地结合在DNA上。（在ChIP-seq的甲醛交联过程中可以捕获这种短暂的非功能性相互作用，特别是在延长了交联时间的情况下，即使对于非DNA结合蛋白也是如此）
转录因子可能通过与其他转录因子的相互作用而间接调节转录。

我们可以通过检测TF的co-factors来识别增强子的位置，例如组蛋白乙酰化酶P300。
co-factors一般不与DNA直接连接，但是一般都是被TF招募过来，执行不同的酶活性。

4. Predictions using chromatin accessibility

激活的增强子一般缺失核小体的包绕，他们处于“开放”状态。
MNase-seq原理：金黄色葡萄球菌的微球菌核酸酶（MNase）既有内切酶活性，又有外切酶活性。通过切割消化暴露在外的基因组片段来工作，被核小体及TF包绕保护DNA被保留并测序。
DNase-seq原理：DNase是一个内切酶，可以将DNA片段剪断，但是不能进行消化。
先锋转录因子（pioneer factors）：可以结合到有核小体包绕的DNA（异染色质）上，将核小体“挤走”，使整个DNA片段开放，使其他TF也可以结合上来。例如FOXA1就是一个先锋转录因子。
Insulator（CTCF）也会主要富集在开放区域。

5.Predictions from histone modifications

不同顺式作用元件周围的组蛋白修饰相对稳定。
不同组蛋白修饰的意义：

转录状态	Markers	Markers
Active promoter	H3K4me3	H3K27Ac
Active enhancer	H3K4me1	H3K9Ac
Repressor	H3K9me3	H3K27me3
Transcribed gene body	H3K36me3

代表转录激活和转录抑制的组蛋白修饰可以同时存在：

Bivalent chromatin at poised enhancers：H3K4me1和H3K27me3

latent enhancers：一些目前处于没有任何组蛋白修饰状态（关闭状态），但是TF结合上去后立马获得组蛋白修饰（H3K4me1和H3K27ac），然后变成激活状态。
ChromHMM方法可以结合多种组蛋白修饰，将基因组分成不同的染色质状态。
目前对于增强子的染色质状态定义不清楚，主要原因有2个：

没有一个组蛋白修饰或者多个组蛋白修饰结合起来可以完美地与增强子活性相匹配。
与增强子活性相关的组蛋白修饰的功能作用尚不清晰。

后记

后面其实还有一部分内容，但是我觉得和我想要了解的知识相关性不高，所以等日后有需要再来复习吧~

ixxmu / mp_duty