Mol Cell | 转录因子异构体之间的分子相互作用及调控特性存在广泛差异

摘要：基因调控程序是发育和疾病过程中细胞表型的主要驱动因素，由序列特异性转录因子（TFs）控制。过去四十年来，关于转录因子DNA结合特异性、转录活性以及蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）的研究和数据产出呈现爆炸式增长。这些研究主要集中于建立野生型、参考异构体或单个结构

撰文 | 章台柳

基因调控程序是发育和疾病过程中细胞表型的主要驱动因素，由序列特异性转录因子（TFs）控制。过去四十年来，关于转录因子DNA结合特异性、转录活性以及蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）的研究和数据产出呈现爆炸式增长。这些研究主要集中于建立野生型、参考异构体或单个结构域的特征谱。然而，很少有研究来区分由可变启动子、剪接位点/连接以及末端外显子选择性使用所产生的多种转录因子异构体之间的功能差异。

近期研究揭示了转录因子编码异构体如何影响DNA结合和转录活性等功能，其效应范围从无显著变化到功能完全丧失，甚至获得新功能。然而，尽管转录因子异构体普遍存在，针对不同异构体的研究却仍显不足。事实上，转录因子属于可变剪接频率最高的基因类别之一，且绝大多数人类转录因子以多种异构体形式存在（约1,600个转录因子基因产生超过4,100种异构体【1】）。这一数据很可能被严重低估，因为三代测序技术持续发现与疾病或特定状态相关的新型异构体。值得注意的是，质谱研究表明大多数阅读框保持完整的异构体都会被翻译，这提示我们研究转录因子不同变异体之间的功能差异具有重要性。

尽管大多数转录因子异构体的功能尚未明确，但已有研究显示部分异构体会表现出截然不同的生物学功能，包括与DNA、辅因子或染色质相关蛋白的结合差异。例如，FOXP1的两种异构体不仅具有不同的DNA结合特异性，还能在细胞分化过程中驱动相反的表型【2】。转录因子异构体在疾病中也发挥着独特作用：WT1基因的一个可变剪接异构体表达异常会导致Frasier综合征，该异构体与参考异构体仅相差3个氨基酸（KTS插入），却表现出完全不同的DNA结合特性【3】。在癌症中，转录因子异构体的失调现象尤为突出，STAT3、ESR1和p53等癌基因或抑癌基因转录因子均可编码显性负效异构体，这些异构体会竞争性抑制参考异构体的正常功能。当然，对转录因子异构体的研究也面临挑战。例如，染色质免疫共沉淀测序（ChIP-seq）研究使用的抗体通常无法区分不同异构体。目前大多数人类转录因子DNA结合特性的大规模研究仅考虑参考异构体或DNA结合结构域（DBD）。此外，高通量转录活性研究大多测试短肽片段，这可能遗漏全长异构体中各结构域之间的协同或拮抗效应。总体而言，缺乏高通量、综合性的实验方法体系，来解析可变异构体如何改变转录因子调控功能的分子机制。

近日，Dana-Farber癌症研究院的Marc Vidal、Martha L. Bulyk、Juan I. Fuxman Bass和MD安德森癌症研究中心的Nidhi Sahni团队在Molecular Cell上发表了题为Widespread variation in molecular interactions and regulatory properties among transcription factor isoforms的文章，系统比较了246个转录因子基因编码的693种异构体，评估了其DNA结合、蛋白质互作、转录激活、亚细胞定位及相分离凝聚体形成等特性。与参考异构体相比，三分之二的可变剪接异构体在一项或多项分子活性上存在差异，且这些差异通常无法通过序列预测。研究发现可变剪接异构体主要分为两大功能类别："功能重构型"和"负向调控型"，二者均与细胞分化和癌症进程相关。转录因子异构体的相对表达水平及其相互作用，为基因调控网络增加了一个尚未被充分研究的复杂性层级。

研究人员首先探究转录因子异构体的普遍性。GENCODE21的注释数据显示，人类1,635个转录因子基因共编码4,144种蛋白质异构体，其中992个转录因子基因（占比61%）可产生多种异构体。对每个基因定义出“参考异构体”，然后比较其序列差异和表达差异，发现绝大多数已注释的转录因子可变异构体都表现出蛋白质结构域的差异及组织特异性表达变化，尤其在发育过程中更为显著。随后，研究人员基于已知转录因子的N端和C端设计引物进行PCR，克隆出246个基因的693种异构体（即TFIso1.0），其中183种是全新的。对这些异构体的蛋白质-DNA互作（PDIs）、转录调控活性和蛋白-蛋白互作进行检测。结果显示，与对应的参考异构体相比，84%的可变异构体表现出蛋白质互作（PPIs）差异，81%存在DNA结合特性（PDIs）改变，41%呈现转录活性变化。构建的异构体特异性PDI和PPI网络呈现出生物网络典型的"长尾"度分布特征，即少数异构体可与大量相互作用因子结合。形成的研究数据集代表了迄今为止对转录因子异构体分子互作及调控特性最全面的系统解析。

经典理论中，转录因子的DNA结合功能是通过结构化的DNA结合结构域（DBDs）实现的。但通过对异构体的PDIs进行研究，发现转录因子可变异构体的DNA结合特性同时受DNA结合结构域（DBD）内部和外部序列差异的影响。使用M1H实验检测变构体的转录活性差异，发现与参考异构体相比，125种可变异构体（占比49%）的M1H活性存在两倍以上的差异。其中，活性减弱的异构体（89/254，35%）显著多于活性增强的异构体（36/254，14%）。进一步研究发现，转录因子异构体常因效应结构域的变异而表现出不同的转录活性，且转录因子异构体间的活性差异与辅因子及信号蛋白的蛋白质相互作用（PPIs）改变密切相关。转录因子异构体间的分子功能上具有明显差异，其差异程度可达到与旁系同源转录因子（TF paralogs）相当的水平。这就导致不同转录因子异构体在细胞定位和相分离凝聚体形成方面存在普遍差异。

根据变构体的分子功能差异将175个异构体分类："负向调控型"、"功能相似型"和"功能重构型"。负向调控型，即负向调控参考异构体的功能，例如这些异构体虽能与相同的基因组位点结合，却无法结合关键辅因子，从而阻遏参考异构体对靶基因的激活功能。研究结果表明，负调控异构体在转录因子中广泛存在，这提示它们可能构成了转录调控的又一个重要层级。转录因子在发育和肿瘤发生中具有重要功能，研究显示可变异构体与发育和肿瘤发生具有相关性。例如，在TFIso1.0收录的异构体中，有314种在至少一种癌症类型的配对肿瘤与正常样本间呈现显著差异表达，其中可变异构体占大多数（188/314，60%）。值得注意的是，负调控型异构体在癌症差异表达异构体中显著富集，这表明负调控型转录因子异构体的失调可能在异常癌症基因调控网络（GRNs）中发挥特定作用。

总之，研究揭示了转录因子存在异构体的普遍性，构建了对数百种异构体的多维度系统性表征，证明了从不同异构体来认知转录因子功能表征的重要性，也为后续研究提供了丰富的资源基础。

制版人：十一

参考文献

1. 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.Cell172, 650–665.

2. Gabut, M., Samavarchi-Tehrani, P., Wang, X., Slobodeniuc, V., O’Hanlon, D., Sung, H.-K., Alvarez, M., Talukder, S., Pan, Q., Mazzoni, E.O., et al. (2011). An alternative splicing switch regulates embryonic stem cell pluripotency and reprogramming.Cell147, 132–146.

3. Barbaux, S., Niaudet, P., Gubler, M.C., Gru€nfeld, J.P., Jaubert, F., Kuttenn, F., Fe ́ ke ́ te ́ , C.N., Souleyreau-Therville, N., Thibaud, E., Fellous, M., et al. (1997). Donor splice-site mutations in WT1 are respon- sible for Frasier syndrome.Nat. Genet.17, 467–470.

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