破解 "暗基因组" 密码！Science：发现一类能感知环境机械特性的特殊 DNA 片段

来源：100医药网 2025-09-29 09:06

杜克大学的研究人员利用CRISPR技术，在"暗基因组"中发现了此前未被标注的DNA片段，这些片段负责控制细胞如何感知并响应其局部环境的机械特性。

杜克大学的研究团队在《科学》杂志发表的最新研究中，借助 CRISPR 技术在占基因组 98% 的 "暗基因组" 中，发现了一类能感知环境机械特性的特殊 DNA 片段 "机械增强子"（mechanoenhancers）。这些此前未被深入标注的序列，能精准调控细胞对周围组织刚度的响应，为纤维化、癌症等与组织机械特性异常相关的疾病开辟了全新治疗路径。

细胞的功能与命运不仅由基因本身决定，更深受周围微环境的影响。此前，科学家已明确激素、细胞因子等化学信号可通过表观遗传调控基因表达，但组织刚度、外力等物理机械信号如何影响细胞功能，其深层机制始终模糊不清。"机械刺激是细胞生长、死亡、分化等基础过程的关键调节因子，在组织发育、衰老及纤维化、肿瘤形成等病理过程中至关重要，" 杜克大学生物医学工程系教授 Charlie Gersbach 指出，"但这些物理信号如何转化为细胞内的基因调控指令，一直是未解之谜。"

基因组中仅 1%-2% 的序列负责编码蛋白质，其余 98% 的 "暗基因组" 曾被认为是 "无用片段"。如今研究证实，这些区域中藏有大量基因 "增强子"，能像开关一样调控基因表达强度。"问题在于，我们一直缺乏工具定位这些增强子的位置、明确它们调控的基因，以及它们如何响应细胞与环境的相互作用，" 杜克大学儿科教授 Gregory E. Crawford 补充道。

为破解这一难题，Gersbach 与 Crawford 团队联合机械生物学专家 Brent Hoffman 副教授，在博士后 Brian Cosgrove 的带领下展开研究。他们制备了弹性模量分别为 1 kPa（模拟柔软结缔组织）和 50 kPa（模拟肌肉组织或纤维化病灶）的聚酰胺水凝胶，将人包皮成纤维细胞（HFF）和肺上皮癌细胞（A549）分别培养在这些凝胶上，仅 20 小时后就观察到显著变化：HFF 细胞中有 4009 个基因表达改变，A549 细胞中有 221 个基因表达改变，同时基因组中近 5 万个区域的染色质可及性发生变化，其中约 23% 的变化出现在 HFF 细胞中，15% 出现在 A549 细胞中。更关键的是，两种细胞共有的 76 个差异表达基因中，包含 CYR61、CTGF 等已知受机械信号调控的经典基因，证实了机械环境对基因组的直接影响。

为锁定 "暗基因组" 中发挥作用的片段，团队利用 CRISPR 干扰（CRISPRi）技术，通过dCas9KRAB蛋白沉默不同 DNA 区域的活性，再结合细胞生长、迁移等表型分析，最终筛选出一类特殊增强子 机械增强子。这类增强子具有三大特征：能随环境刚度改变染色质结构、直接影响细胞生长或迁移、精准调控特定靶基因表达。

研究团队进一步揭示了机械增强子的工作机制：在 stiff 基质上，TEAD、SRF 等机械敏感转录因子会结合到特定增强子区域激活其功能；而在 soft 基质中，CEBP 等因子则主导增强子活性调节。以非肌肉肌球蛋白基因MYH9为例，其内含子 3 中的一个机械增强子在 stiff 环境中被激活，通过结合 SRF/CArG 和 HLTF 等 motifs 上调MYH9表达，增强细胞收缩力；而在 soft 基质中，BMF基因内含子 4 的机械增强子被激活，促进细胞凋亡（anoikis），这一过程在癌细胞脱离基质时的存活调控中至关重要。

更具临床价值的是，机械增强子在疾病模型中表现出明确的功能相关性。研究人员分析了特发性肺纤维化（IPF）患者和健康人的肺成纤维细胞，发现SKP2、CTGF、MYH9等基因的机械增强子在 IPF 细胞中异常激活。当用 CRISPRi 沉默这些增强子时，CTGF的表达被抑制 96%，有效阻断了 TGF 1 诱导的成纤维细胞活化 这正是肺纤维化的关键病理过程。"这些增强子在患者细胞中持续活跃，说明它们是疾病进展的重要推手，" 研究人员指出。

此外，团队通过单细胞 CRISPRi 筛选和 HiCAR（染色质相互作用分析）技术，明确了机械增强子与靶基因的调控关系。有趣的是，这些增强子并不总是调控最近的基因，约 37% 的增强子会 "跳过" 至少一个基因调控更远的靶点，部分甚至能调控相距 900 kb 的基因。例如，MYH9的机械增强子除调控自身表达外，还能影响APOL2和RAC2等基因，形成复杂的调控网络。

目前，团队正进一步研究机械增强子在不同细胞类型、疾病阶段及年龄中的差异，探索其序列中的遗传变异与环境适应能力的关联。更值得期待的是，这些 "暗基因组" 片段有望成为基因治疗的直接靶点。"这项研究是工程、科学与医学跨学科合作的典范，"Gersbach 强调，"它不仅揭示了机械信号调控细胞的全新机制，更为难以治疗的机械相关疾病提供了精准干预的可能。"（100yiyao.com）

参考文献：

Brian D. Cosgrove et al, , Science (2025). DOI: 10.1126/science.adl1988.

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