生命科学发展的重要途径之一，是通过生命系统的定量解析，提炼运作规律及设计原理，以实现复杂生命系统的可预测干预、设计、及合成。在生命系统中，基因调控网络“指挥”着发育、免疫等关键生命过程，定量研究基因调控网络对于复杂生命系统的理解与干预有着重要意义。我中心在基因调控网络领域有着多年的研究积累，中心研究团队在过去研究中已凝练出了基因调控网络中的一系列定量规律及设计原理，这些规律原理对合成基因线路设计、疾病干预新策略开发等应用研究有着重要的指导意义。在中心最新的研究成果中，来自林一瀚课题组的范申奇、马良等研究人员利用合成生物学方法，定量刻画了哺乳动物细胞基因调控系统中的“记忆”现象，并深入探究了该“记忆”的机制原理及潜在干预策略，为基因调控网络的理解与设计提供了新的理论指导1。
基因调控网络中的每条边对应着一个基因调控关系，即一个转录因子与其某个下游基因的调控关系。该调控关系可以用一个函数形式来表征，该函数描述了转录因子活性或表达量如何定量控制下游基因表达量，常被称为基因调控函数。基因调控网络的定量理解与设计依赖于基因调控函数的定量解析，比如，早年发表的两项合成生物学领域的开创性工作中（即repressilator2及toggle switch3的设计与实现），研究人员发现，大肠杆菌中基因调控函数的形状对于合成震荡器、合成拨动开关的功能实现是至关重要的。然而，目前我们对真核细胞中，特别是哺乳动物细胞中基因调控函数的定量理解仍有限，该局限性使得我们难以对哺乳动物细胞基因调控网络进行可预测干预与设计。
为了解决上述问题，本项研究在哺乳动物细胞中构建了可进行高通量定量刻画的合成基因调控系统，针对基因调控函数的顺式依赖性（即函数形状如何依赖于目标基因所处的染色质环境）、反式依赖性（即函数形状如何依赖于转录因子的性质）、及时间依赖性（即函数形状如何依赖于基因激活的次序）进行了系统定量的刻画。其中，基因调控函数的时间依赖性，或称 “记忆”现象，往往被认为是特定基因调控系统中的特殊现象，即特定基因可以保留先前诱导信号的记忆，并在重复诱导下产生不同的响应。例如，在酵母细胞中，多次暴露于含有半乳糖的培养基中会导致与半乳糖代谢相关基因的表达响应加快4；在成纤维细胞和巨噬细胞中，重复的干扰素β(IFNβ)刺激会增强多个IFN刺激基因的响应5。然而，该“记忆”是否具有普适性、是否影响了除代谢或压力响应基因外的基因等问题，是基因调控领域亟待解决的科学问题（图1）。
图1 | 基因调控网络中的基因调控函数及其潜在的“记忆”现象示意图1。在该系统中，“记忆”体现为第二次激活时的基因调控函数形状相比于第一次激活时发生了明显的位移。
研究人员通过构建单拷贝及多拷贝合成报告基因系统，结合染色质表观修饰测量和高通量剂量效应曲线分析，定量刻画了一个常用的合成基因调控系统中的转录记忆现象，表征了多种调控因素对转录记忆的贡献。研究发现，该合成基因调控系统中存在普遍的转录记忆，因此，研究人员分别从顺式调控和反式调控两个层面深入探究了这种转录记忆的影响因素。在顺式调控层面，发现染色质环境的抑制性与转录记忆的强度显著正相关。通过关联高通量的输入输出曲线测量数据与表观修饰数据，发现DNA甲基化在其中发挥潜在作用。进一步通过扰动DNA去甲基化酶的活性或突变启动子区域的CpG位点，可以显著改变目标基因的转录记忆。在反式调控层面，发现对于特定目标基因，具有相同DNA结合域但不同转录激活域的合成转录因子会引发显著不同的转录记忆。转录记忆的强度与合成转录因子的有效DNA结合亲和力相关，具有较高有效DNA结合亲和力的合成转录因子即使在抑制性染色质状态下也几乎不产生转录记忆。进一步地，发现转录因子的有效DNA结合能力可以用其形成生物分子凝聚体的能力来近似刻画。通过将蛋白无序序列与合成转录因子融合来增加凝聚能力，可以显著提高合成转录因子的有效亲和力，从而消除转录记忆。整体而言，本研究拓宽了对合成基因调控系统中转录记忆的理解，为潜在的合成生物学应用提供了新思路。此外，这些结果强调了在定量描述、建模哺乳动物细胞中合成或天然基因调控网络时，需考虑转录记忆的潜在影响，比如在对基因调控网络进行数学建模时可能需要引入具有时间依赖性的基因调控函数。
图2 | 哺乳动物细胞转录记忆的顺式及反式依赖性1。在第一次诱导过程中，记忆型合成转录因子具有较低的有效亲和力，因此与无记忆型合成转录因子相比，需要更高的浓度才能激活靶基因。通过第一次诱导，记忆型或无记忆型的合成转录因子均可导致启动子区域的DNA去甲基化。在第二次诱导过程中，记忆型合成转录因子的有效亲和力显著增加，使得在更低浓度下可以有效驱动基因转录。
图3 | 论文首页截图
该项研究工作以“Promoter DNA methylation and transcription factor condensation are linked to transcriptional memory in mammalian cells”为题，近日在线发表在Cell Systems期刊上。北京大学定量生物学中心/生命科学联合中心/北京大学成都前沿交叉生物技术研究院林一瀚研究员、北京大学定量生物学中心/生命科学联合中心博士后马良为本文的通讯作者。北京大学定量生物学中心2023届博士毕业生范申奇和马良为本文共同第一作者，宋成治、韩旭、钟碧俊瑶为该工作做出了重要贡献。这项工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和四川省重点研发计划的支持。
1. Fan, S., Ma, L., Song, C., Han, X., Zhong, B., and Lin, Y. (2024). Promoter DNA methylation and transcription factor condensation are linked to transcriptional memory in mammalian cells. Cell Systems. https://doi.org/10.1016/j.cels.2024.08.007.
2. Elowitz, M.B., and Leibler, S. (2000). A synthetic oscillatory network of transcriptional regulators. Nature 403, 335–338. https://doi.org/10.1038/35002125.
3. Gardner, T.S., Cantor, C.R., and Collins, J.J. (2000). Construction of a genetic toggle switch in Escherichia coli. Nature 403, 339–342. https://doi.org/10.1038/35002131.
4. Kundu, S., Horn, P.J., and Peterson, C.L. (2007). SWI/SNF is required for transcriptional memory at the yeast GAL gene cluster. Genes & Development 21, 997–1004. https://doi.org/10.1101/gad.1506607.
5. Kamada, R., Yang, W., Zhang, Y., Patel, M.C., Yang, Y., Ouda, R., Dey, A., Wakabayashi, Y., Sakaguchi, K., Fujita, T., et al. (2018). Interferon stimulation creates chromatin marks and establishes transcriptional memory. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 115, E9162–E9171. https://doi.org/10.1073/pnas.1720930115.
