捕捉短寿命RNA分子的新技术揭示了基因转录在细胞中的协调

人类基因组包含约23000个基因，但在任何特定时间，只有一小部分基因在细胞内启动。控制基因表达的复杂调控元件网络包括被称为增强子的基因组区域，这些区域通常远离它们调控的基因

这个距离会使绘制基因和增强子之间复杂的相互作用图变得困难。为了克服这一点，麻省理工学院的研究人员发明了一种新技术，使他们能够观察细胞中基因和增强子激活的时间。当一个基因与特定的增强子同时启动时，强烈表明增强子正在控制该基因

了解更多关于哪些增强子控制不同类型细胞中的哪些基因的信息，可以帮助研究人员确定遗传疾病的潜在药物靶点。基因组学研究已经发现许多非蛋白质编码区的突变与多种疾病有关。这些可能是未知的增强子吗

麻省理工学院名誉教授、麻省理工大学癌症综合研究科赫研究所成员菲利普·夏普表示：“当人们开始使用遗传技术来识别染色体上有疾病信息的区域时，这些位点大多与基因不符。我们怀疑它们与这些增强子相对应，这些增强子可能距离启动子很远，因此能够识别这些增强子非常重要。”

不到2%的人类基因组由蛋白质编码基因组成。基因组的其余部分包括许多控制这些基因何时以及如何表达的元素。大约45年前，人们发现了增强子，这种增强子被认为通过与基因启动子区域短暂形成复合物进行物理接触来开启基因

最近，在2010年，研究人员发现这些增强子被转录成RNA分子，称为增强子RNA或eRNA。科学家怀疑，当增强子与其靶基因积极相互作用时，就会发生这种转录。这增加了一种可能性，即测量eRNA转录水平可以帮助研究人员确定增强子何时具有活性，以及它靶向哪些基因

Mahat说：“这些信息对于理解癌症是如何发生的，以及癌症如何改变其调节程序和激活导致去分化和转移生长的过程非常重要。”

然而，这种映射已被证明很难执行，因为eRNA的产生量非常小，并且在细胞中不会持续很长时间。此外，eRNA缺乏一种被称为poly-a尾的修饰，这是大多数技术用来将RNA从细胞中提取出来的“钩子”

捕获eRNA的一种方法是向细胞中添加一种核苷酸，当其与RNA结合时会停止转录。这些核苷酸还含有一种称为生物素的标签，可用于将RNA从细胞中捕获。然而，目前的这项技术只适用于大的细胞池，不能提供单个细胞的信息

在集思广益寻找捕捉eRNA的新方法时，Mahat和Sharp考虑使用点击化学，这是一种可以将两个分子连接在一起的技术，如果它们都标有可以一起反应的“点击手柄”

研究人员设计了用一键手柄标记的核苷酸，一旦这些核苷酸被结合到生长中的eRNA链中，就可以用包含互补手柄的标签将这些链捞出来。这使研究人员能够捕获eRNA，然后对其进行纯化、扩增和测序。每一步都会丢失一些RNA，但Mahat估计，他们可以成功地从给定的细胞中提取出约10%的eRNA

使用这项技术，研究人员获得了细胞中在特定时间被主动转录的增强子和基因的快照

“你希望能够在每个细胞中确定调节元件及其相应基因的转录激活。这必须在单个细胞中完成，因为这是你可以检测调节元件和基因之间同步或异步的地方，”Mahat说

研究人员在小鼠胚胎干细胞中演示了他们的技术，发现他们可以根据RNA链的长度和聚合酶（负责转录的酶）的速度来计算特定区域何时开始转录；也就是聚合酶每秒转录的距离。这使他们能够确定哪些基因和增强子在同一时间被转录

研究人员使用这种方法比以前更详细地确定了细胞周期基因表达的时间。他们还能够确认几组已知的基因增强子对，并生成了大约50000个可能的增强子基因对的列表，他们现在可以尝试验证这些列表

了解哪些增强子控制哪些基因对开发有遗传基础的疾病新疗法有价值。去年，美国食品和药物管理局批准了第一种镰状细胞贫血的基因治疗方法，该方法通过干扰一种能激活胎儿珠蛋白基因的增强子，减少镰状血细胞的产生

麻省理工学院的团队现在正在将这种方法应用于其他类型的细胞，重点关注自身免疫性疾病。他们与波士顿儿童医院的研究人员合作，正在探索与狼疮有关的免疫细胞突变，其中许多突变存在于基因组的非编码区

“目前尚不清楚哪些基因受到这些突变的影响，所以我们开始梳理这些假定的增强子可能调控的基因，以及这些增强子在哪些细胞类型中是活跃的，”Mahat说。“这是一种创建基因-增强子图谱的工具，这是理解生物学的基础，也是理解疾病的基础。”

这项研究的发现也为Sharp最近与麻省理工学院教授Richard Young和Arup Chakraborty一起开发的一种理论提供了证据，即基因转录由称为凝聚物的无膜液滴控制

这些缩合物由大量的酶和RNA组成，Sharp认为这可能包括增强子位点产生的eRNA

“我们认为增强子和启动子之间的通信是一种缩合型的瞬态结构，RNA是其中的一部分。这是理解增强子的RNA如何发挥作用的重要工作，”他说