透過捕獲短壽命RNA分子，科學家們可以繪制出基因和控制它們的調控元件之間的關系。
麻省理工學院的研究人員發明了一種方法，透過監測基因和強化子的啟用時間，來觀察基因和強化子之間的交互作用，從而幫助確定基因疾病的藥物靶點。這項技術也提高了對eRNA在基因調控和疾病治療中的功能的認識。
基因表現和強化子定位
盡管人類基因組包含大約23000個基因，但在任何給定時間，這些基因中只有一小部份在細胞內被啟用。控制基因表現的調控元件的復雜網路，包括基因組中稱為強化子的區域，這些區域通常位於遠離它們所調節的基因的地方。
這種距離使得繪制基因和強化子之間復雜的交互作用圖譜變得困難。為了克服這個問題，麻省理工學院的研究人員發明了一種新技術，使他們能夠觀察細胞中基因和強化子啟用的時間。當一個基因與一個特定的強化子幾乎同時被啟用時，它強烈表明該強化子控制著該基因。
增強劑與疾病的聯系
在不同型別的細胞中，更多地了解哪些強化子控制哪些基因，可以幫助研究人員確定遺傳疾病的潛在藥物靶點。基因組研究已經確定了許多與多種疾病有關的非蛋白質編碼區域的突變。這些可能是未知的增強劑嗎？
「當人們開始使用基因技術來辨識具有疾病資訊的染色體區域時，大多數這些位點並不對應於基因。我們懷疑它們對應於這些強化子，這些強化子可能離啟動子很遠，所以能夠辨識這些強化子是非常重要的，」麻省理工學院名譽教授、麻省理工學院科赫綜合癌癥研究所成員菲利普·夏普說。
夏普是這項新研究的資深作者，該研究最近發表在科學雜誌【自然】上。麻省理工學院研究助理D.B.傑伊·馬哈特（D.B. Jay Mahat）是該論文的主要作者。
eRNA和調控元件對映
不到2%的人類基因組是由蛋白質編碼基因組成的。基因組的其余部份包括許多控制這些基因何時以及如何表達的元素。強化子被認為是在45年前發現的，它透過與基因啟動子區域的物理接觸，短暫地形成一個復合物，從而開啟基因。
最近，在2010年，研究人員發現這些強化子被轉錄成RNA分子，稱為強化子RNA或eRNA。科學家們懷疑，當強化子與靶基因積極交互作用時，這種轉錄就會發生。這就提出了一種可能性，即測量eRNA轉錄水平可以幫助研究人員確定強化子何時活躍，以及它針對哪些基因。
馬哈特說：「這些資訊對於理解細胞如何發育、理解癌癥如何改變它們的調控程式、啟用導致去分化和轉移性生長的過程非常重要。」
然而，由於eRNA產生的數量非常少，並且在細胞中不能持續很長時間，因此這種繪制已被證明是困難的。此外，eRNA缺乏一種被稱為Poly-A尾巴的修飾，這是大多數技術用來將RNA從細胞中拉出的「勾點」。
單細胞分析的進展
捕獲eRNA的一種方法是向細胞中添加一個核苷酸，該核苷酸在與RNA結合時停止轉錄。這些核苷酸還含有一種叫做生物素的標簽，可以用來將RNA從細胞中撈出來。然而，目前的技術只適用於大量細胞，並不能提供單個細胞的資訊。
在集思廣益尋找捕捉eRNA的新方法時，馬哈特和夏普考慮使用點選化學，這是一種可以將兩個分子連線在一起的技術，如果它們都標有可以一起反應的「點選手柄」。
研究人員設計了一鍵式手柄標記的核苷酸，一旦這些核苷酸被整合到生長的eRNA鏈中，這些鏈就可以用包含互補手柄的標簽打撈出來。這使得研究人員能夠捕獲eRNA，然後對其進行純化、擴增和測序。每一步都會遺失一些RNA，但馬哈特估計他們可以成功地從一個給定的細胞中提取出大約10%的eRNA。
利用這項技術，研究人員獲得了細胞中在給定時間內活躍轉錄的強化子和基因的快照。
「你希望能夠確定，在每個細胞中，從調控元件和相應基因的轉錄啟用。這必須在單個細胞中完成，因為這是你可以檢測調節元件和基因之間的同步或異步的地方，」馬哈特說。
基因和強化子同步
研究人員在小鼠胚胎幹細胞中展示了他們的技術，他們發現他們可以根據RNA鏈的長度和聚合酶（負責轉錄的酶）的速度 —— 也就是說，聚合酶每秒轉錄的距離 —— 計算出特定區域開始轉錄的大致時間。這使他們能夠確定哪些基因和強化子在大約同一時間被轉錄。
研究人員使用這種方法比以前更詳細地確定細胞周期基因表現的時間。他們還能夠確認幾組已知的基因強化子對，並生成了一個大約5萬個可能的強化子基因對的列表，他們現在可以嘗試驗證這些基因對。
對遺傳疾病治療的啟示
了解哪些強化子控制哪些基因，對於開發針對遺傳基礎疾病的新療法將證明是有價值的。去年，美國食品和藥物管理局（FDA）批準了第一個治療鐮狀細胞性貧血的基因療法，該療法透過幹擾一種增強劑來啟用胎兒珠蛋白基因，從而減少鐮狀血細胞的產生。
麻省理工學院的研究小組現在正將這種方法套用於其他型別的細胞，重點是自身免疫性疾病。他們正在與波士頓兒童醫院的研究人員合作，探索與狼瘡有關的免疫細胞突變，其中許多是在基因組的非編碼區域發現的。
「目前還不清楚哪些基因受到這些突變的影響，所以我們開始梳理這些假定的強化子可能調節的基因，以及這些強化子在哪些細胞型別中是活躍的，」馬哈特說。「這是一個建立基因到強化子圖譜的工具，這是理解生物學的基礎，也是理解疾病的基礎。」
基因轉錄控制理論
這項研究的發現也為夏普最近與麻省理工學院教授理察·楊和Arup Chakraborty共同提出的一個理論提供了證據，該理論認為基因轉錄是由被稱為冷凝物的無膜液滴控制的。這些凝聚物是由大量的酶和RNA組成的，夏普認為其中可能包括在強化子位點產生的eRNA。
「我們認為強化子和啟動子之間的交流是一種凝聚型的瞬態結構，RNA是其中的一部份。這是一項重要的工作，有助於理解來自強化子的RNA是如何被啟用的。」
