增强子是一段脱氧核糖核酸序列，通过为调控蛋白质，尤其是转录因子提供结合平台，提高靶基因的转录（生物学）水平。增强子参与决定基因在何处、何时以及以多大强度表达。它们通常以顺式方式发挥作用，即其调控作用针对同一DNA分子上的基因；即使在基因组中相隔很远，也能影响启动子（生物学）。增强子的活性取决于其自身序列、特定细胞中存在的调控蛋白，以及周围的基因组环境。(ctrapnell.github.io)
定义与特征
增强子的经典实验定义是：能够促进相连启动子驱动的转录，并且在方向或位置改变后仍保留这一能力的DNA序列。核心启动子决定转录从何处开始，而增强子可以在距转录起始位点一定距离的位置发挥作用。例如，在实验性DNA构建体中，将SV40增强子置于不同位置和方向，均能促进兔β-珠蛋白基因的表达。(ctrapnell.github.io)
许多经过实验表征的增强子长约数百个碱基对，但功能元件的边界未必十分明确。较大的调控区域可能包含多个增强子模块。序列增强转录的能力也并非在所有情况下都存在：在一种细胞类型中活跃的元件，在另一种细胞类型中可能没有活性；不同启动子对同一增强子的响应也可能不同。因此，经典定义所强调的位置灵活性，并不意味着增强子的作用完全不受生物学背景影响。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
理解增强子时，更适合将其视为按功能界定的调控元件，而不是一类具有统一可识别特征的序列。蛋白质结合、染色质修饰或局部转录的测量结果可以用于筛选候选增强子，但检验这些序列对转录的影响，能够提供另一种更直接的证据。因此，报告基因实验和对基因组原位序列的扰动实验，回答的是关于增强子功能的相关但不完全相同的问题。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
发现历史
1981年12月，朱利安·班纳吉、桑德罗·鲁斯科尼和瓦尔特·沙夫纳发表了一项里程碑式研究，证明来自SV40病毒的序列能够大幅提高导入人类细胞的克隆兔β-珠蛋白基因的转录水平。这一效应依赖于含有72碱基对重复序列的区域，而不需要病毒复制起点或T抗原。这些实验排除了DNA复制增加或可扩散病毒产物等解释，从而将转录增强作用与这些因素区分开来。(ctrapnell.github.io)
此后，基因组研究方法将增强子分析从单个元件扩展到大规模调控序列集合。2013年，STARR-seq技术的引入使研究人员能够通过报告基因实验，对数百万个DNA片段进行直接、定量的检测。将其用于果蝇基因组后，研究人员发现了数千个具有细胞类型特异性的增强子，其活性强度覆盖了很宽的范围。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
分子机制
转录因子结合与共激活因子招募
增强子含有可供多种转录因子组合结合的位点。这些因子会招募其他调控蛋白，将序列识别与转录激活联系起来。例如，在胚胎干细胞中，Oct4、Sox2和Nanog等因子结合增强子，并招募中介体复合物，后者是一种参与调控基因表达的转录共激活因子。不同的转录因子组合有助于建立不同的细胞基因表达程序。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
增强子活性与染色质的变化有关；染色质是构成染色体的DNA与蛋白质复合物。组蛋白修饰可作为判断调控状态的有用指标。H3K4me1表示组蛋白H3第4位赖氨酸的单甲基化，H3K27ac表示第27位赖氨酸的乙酰化。在哺乳动物分化研究中，H3K27ac能够区分活性增强子群体与带有H3K4me1标记的非活性或待激活增强子群体。这些模式属于生化层面的注释，不能单独证明某一特定序列调控某一特定基因。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
远距离相互作用
沿染色体线性排列时相距很远的DNA区域，在三维空间中可以彼此接近。染色体构象实验检测到了启动子与远端增强子样区域之间的大量接触，其中包括跨越数百千碱基的相互作用。这些发现支持基于DNA环化的模型：结合增强子的蛋白质通过这种方式与启动子处的转录机器相互作用。(nature.com)
仅凭空间上的接近，不能确立功能性调控关系。接触图谱揭示空间关联，而扰动实验则检验候选元件是否影响基因表达。基于数千次CRISPR扰动实验建立的活性与接触结合模型，将增强子活性估计值与增强子—启动子接触频率相结合，用于预测调控关系。这说明，无论是基因组中的距离，还是染色质接触，单独来看都不足以确定调控关系。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
转录爆发
转录通常以间歇性事件的形式发生，而不是始终保持恒定速率。对活体果蝇胚胎中报告基因进行成像的实验表明，增强子可以调控这些转录爆发的频率。增强子活性越强，转录发生得越频繁；而在增强子与启动子之间插入绝缘子，则会降低爆发频率。这从动力学角度解释了增强子调控如何改变基因的平均表达水平。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
靶基因特异性
增强子不一定调控距离最近的基因。将候选元件扰动与表达测量相结合的实验，发现了一些无法仅凭距离可靠解释的增强子—基因关系。将增强子活性与三维接触信息结合起来，能够为确定靶基因提供更充分的依据。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
另外两种影响因素也得到了实验支持：
- 启动子兼容性。 果蝇全基因组报告基因检测发现，增强子对发育相关核心启动子和管家基因核心启动子具有不同的偏好。因此，使用某一种启动子测得的增强子活性，在换用另一种启动子时未必保持不变。(nature.com)
- 染色体结构域边界。 拓扑关联结构域是内部染色质接触较为频繁的区域。在人类EPHA4基因座，破坏结构域组织的结构重排使一些基因受到不恰当的增强子作用。相应的小鼠实验将这种调控关系的重构与发育过程中基因表达的改变联系起来。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
这些发现表明，增强子特异性同时取决于局部调控序列和更大尺度的基因组组织，而不只是线性距离的结果。(nature.com)
功能状态与调控组织形式
增强子在特定细胞类型或条件下可被描述为处于活性状态；如果它们具有某些调控特征，却缺乏同等程度的证据表明当前正在激活转录，则可被描述为处于非活性或待激活状态。这些标签指的是生物学状态，而不是DNA序列不可改变的固有属性。分化过程中增强子相关组蛋白修饰的变化表明，随着细胞形成新的基因表达程序，其调控状态也会发生改变。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
多个增强子可以调控同一个发育相关基因。活性相互重叠的元件能够提供冗余性，有时可用影子增强子这一概念来描述。在小鼠肢体发育实验中，删除单个增强子往往不会造成明显的形态异常，但联合删除多个增强子，或在更易显现效应的遗传背景下进行实验，就能揭示它们的贡献。果蝇实验同样表明，看似冗余的增强子能够缓冲遗传和环境扰动对发育的影响。因此，冗余并不意味着某个元件没有功能。(nature.com)
超级增强子是一种大型调控区域，其中包含成簇的增强子，并有异常高水平的转录因子和共激活因子结合。这个术语于2013年提出，用于描述细胞身份调控因子和中介体复合物密集结合的区域。它描述的是一种调控组织形式及其测量特征，而不是一种独特且普遍存在的DNA序列基序。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
增强子转录与增强子RNA
一些活性增强子会招募RNA聚合酶II，并产生增强子RNA，简称eRNA。2010年一项针对小鼠大脑皮质神经元的研究发现，对刺激产生响应的增强子普遍存在双向转录。eRNA的生成量与附近基因的信使RNA合成增加相关。(nature.com)
这一观察结果区分了增强子DNA与从中转录产生的RNA，同时也体现了证据上的局限：eRNA生成与基因激活之间的相关性，本身并不能证明是RNA分子导致了激活。增强子的DNA序列、局部转录过程及其产生的RNA，是彼此不同的要素，需要分别通过实验检验。(nature.com)
识别与实验验证
染色质特征分析通过调控蛋白的结合情况和组蛋白修饰识别候选增强子。这些测量能够提供有关细胞背景和调控状态的信息，但要确立增强子与靶基因之间的关系，还需要其他证据加以补充。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
报告基因检测将候选序列置于能够驱动可测量输出的启动子附近。大规模并行报告基因检测可检验大规模序列文库，通常使用条形码识别不同序列。STARR-seq将候选片段纳入报告基因转录本，使活性片段能够通过测序被识别并定量。这些方法检验的是：在所选检测体系中，序列是否能够激活转录。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
报告基因所处的环境十分重要。一项对数千个候选肝脏增强子进行系统比较的研究发现，整合入染色体与未整合入染色体的构建体所测得的活性存在显著差异。启动子的选择也可能带来差异。因此，报告基因实验中的阳性结果，并不能自动确定该序列的天然靶基因，也不能直接证明它在原始基因组位置上的作用。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
原位基因座扰动使用基因组编辑或基于成簇规律间隔短回文重复序列（CRISPR）的抑制技术，改变候选元件并测量基因表达的变化。这能够提供有关原始基因组环境中调控功能的证据。不过，阴性结果可能取决于细胞类型、实验灵敏度或其他增强子的补偿作用；组合删除多个元件，可以揭示单独删除时未能发现的功能。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
发育与遗传学意义
增强子的组织形式使发育过程中的基因表达调控能够分布于多个调控元件，其中一些元件的功能相互重叠。小鼠删除实验表明，这种组织形式可以缓冲单个调控元件突变的影响，而多个元件同时丧失则可能使表达发生足够大的变化，进而改变表型。(nature.com)
遗传改变还可以在不改变蛋白质编码序列的情况下，改变增强子与启动子的作用关系。EPHA4基因座周围的缺失、倒位和重复与人类肢体畸形有关；实验重建表明，染色体边界遭到破坏后，会产生不恰当的增强子接触和基因表达。这些案例证明，基因组变异的生物学后果不仅取决于基因本身的序列，也可能取决于调控结构。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
参考来源
- Expression of a β-Globin Gene Is Enhanced by Remote SV40 DNA Sequencesctrapnell.github.io
- Genome-wide quantitative enhancer activity maps identified by STARR-seqpubmed.ncbi.nlm.nih.gov
- Master Transcription Factors and Mediator Establish Super-Enhancers at Key Cell Identity Genespmc.ncbi.nlm.nih.gov
- Master Transcription Factors and Mediator Establish Super-Enhancers at Key Cell Identity Genespmc.ncbi.nlm.nih.gov
- Histone H3K27ac separates active from poised enhancers and predicts developmental statepmc.ncbi.nlm.nih.gov
- Mapping long-range promoter contacts in human cells with high-resolution capture Hi-Cnature.com
- Activity-by-contact model of enhancer-promoter regulation from thousands of CRISPR perturbationspubmed.ncbi.nlm.nih.gov
- Activity-by-Contact model of enhancer specificity from thousands of CRISPR perturbationsdash.harvard.edu
- Enhancer control of transcriptional burstingpmc.ncbi.nlm.nih.gov
- Enhancer–core-promoter specificity separates developmental and housekeeping gene regulationnature.com
- Disruptions of Topological Chromatin Domains Cause Pathogenic Rewiring of Gene-Enhancer Interactionspmc.ncbi.nlm.nih.gov
- Enhancer redundancy provides phenotypic robustness in mammalian developmentnature.com