Nature | ENCODE4:人类顺式调控元件图谱扩展|位点|元件|染色质|沉默子|细胞

撰文 | 啾啾椰

哺乳动物基因组规模庞大，包含数十亿个碱基对，但其中真正编码蛋白的序列仅占约 1%，其余绝大多数为非编码序列。这些非编码区域在基因表达调控中发挥着关键作用。非编码区中的顺式调控元件（cis-regulatory elements，CREs）能够被转录因子及相关调控蛋白特异性识别，并在染色质状态和三维基因组结构的共同作用下，调控靶基因的转录活性，广泛参与细胞类型特异性表达、发育阶段切换以及环境应答过程。与此同时，大多数与人类复杂性状和疾病相关的遗传变异位点并不位于蛋白编码区，而是富集于这些非编码调控区域，因此，系统性识别和注释 CRE，并理解其在不同细胞情境下的功能状态，成为解析基因调控和非编码变异致病机制的核心问题。

ENCODE（Encyclopedia of DNA Elements）计划于 2007 年由美国 NIH 启动，旨在全基因组尺度上系统鉴定并功能注释所有具有生物学意义的 DNA 元件。在过去十余年中，ENCODE 计划通过高通量功能基因组学实验，对人类和小鼠基因组中的染色质可及性、组蛋白修饰、转录因子结合及三维基因组结构进行了系统描绘，逐步建立了涵盖启动子、增强子、绝缘子及部分抑制性调控元件的注释框架。在 ENCODE 第三阶段（ENCODE3），研究者首次提出候选顺式调控元件（candidate cis-regulatory elements，cCREs）的统一注册表，鉴定出约 90 万个 cCRE，为调控基因组研究提供了重要基础资源，但该版本主要基于染色质特征推断，功能验证相对有限。

在此背景下，ENCODE 计划在第四阶段（ENCODE4）中，对 cCRE 注册表进行了全面扩展，构建了目前最为完整、并与功能实验深度整合的哺乳动物顺式调控元件资源之一。近日，ENCODE Consortium在Nature上发表题为An expanded registry of candidate cis-regulatory elements的研究论文，该项工作由麻省医学院的 Jill E. Moore与 Zhiping Weng 共同牵头完成，系统介绍了 ENCODE4 阶段 cCRE 注册表的构建方法、功能解析结果及其在遗传性状研究中的应用价值。

ENCODE4 共鉴定出 237 万个人类 cCRE，覆盖 42 个器官、1,679 种细胞或状态，约占人类基因组的 21%；在小鼠基因组中也鉴定出约 97 万个 cCRE。扩展后的注册表显著提升了调控元件在脑、胚胎和免疫系统等复杂组织中的检出率，显示出更强的组织特异性和生物学代表性。

图1: cCREs 的扩展注册表。

在方法上，研究以代表性 DNase 超敏位点（rDHS）和转录因子结合簇为锚点，整合染色质可及性数据（DNase-seq、ATAC-seq）、关键组蛋白修饰（H3K4me3、H3K27ac）、CTCF 结合以及大规模转录因子 ChIP–seq 数据，对潜在调控元件进行系统识别与分类。除经典的启动子、增强子和 CTCF 相关元件外，ENCODE4 进一步引入了 CA-TF、CA 和 TF 三类新的 cCRE 类型，从而突破了“染色质可及性即功能”的简单假设，为识别功能状态多样的调控元件奠定了基础。

ENCODE4 的另一项核心进展在于将多种功能实验系统性整合进 cCRE 注释流程。研究综合使用 STARR-seq、MPRA、CRISPRi/CRISPRa 以及转基因小鼠增强子实验，对调控元件的真实功能进行验证。超过 97% 的人类 cCRE 至少在一种功能实验中得到测试。

图2: 用于识别 REST+ cCRE 的计算流程

在功能实验支持下，作者在全基因组尺度上系统鉴定出近 1 万个沉默子（silencer）cCRE，并发现其中既包括在不同细胞类型中呈现增强子/沉默子双重功能的调控元件，也包括仅在特定情境下抑制基因表达的专职沉默子，表明增强子与沉默子的功能高度依赖细胞环境。此外，研究还鉴定出一类被 MAFF/MAFK 结合、但缺乏明显染色质可及性的 TF cCRE，这些元件在特定条件下可转变为活性增强子，被定义为“潜伏增强子”（latent enhancers）。

通过整合 cCRE 注释、三维染色质互作和 CRISPR 功能数据，作者在红细胞性状相关 GWAS 位点中优先识别出 KLF1 作为潜在因果基因，展示了该调控元件图谱在解析非编码遗传变异功能中的应用价值。

总体而言，本研究构建了目前最全面的人类和小鼠 cCRE 注册表；将功能实验系统性引入调控元件注释体系；揭示了增强子与沉默子的环境依赖性；并提出了潜伏增强子这一新的调控元件功能状态。这些发现共同表明，顺式调控元件的功能并非静态标签，而是动态、可切换的调控状态。

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09909-9

制版人：十一

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