Cell | 增强子如何"隔空"激活基因？单基因纳米显微镜捕捉增强子调控转录的实时现场

增强子能够跨越数十千碱基甚至上百万碱基（Mb）的基因组距离，精确地激活远端的靶基因，造就了细胞和组织特异的基因表达图景。然而，自增强子被发现以来的四十余年里，一个最基本的问题始终悬而未决：相隔如此遥远的增强子与启动子，究竟是如何实现"物理通讯"的？它们之间传递的又是什么信号？

过去的成像研究对此结论并不一致：增强子-启动子（enhancer-promoter,E-P）的空间邻近与转录活性之间，有的研究发现二者相关，有的发现无相关，有的甚至发现负相关。更关键的是，这些研究普遍未观察到与分子尺度相互作用相符的E-P距离：即便基因处于转录开启状态，E-P之间通常仍相隔数百纳米，而主流模型假设的作用范围可达约300-1000纳米，这个尺度估计可容纳数十个启动子，使得增强子如何精准选择靶基因成为疑问。因此，E-P究竟需要靠多近才算有效"接触"，一直存在争议。另一方面，转录并非匀速进行，而是以转录爆发（transcriptional bursting）的"一阵一阵"的方式发生。E-P相互作用与转录爆发之间究竟是什么关系？

2026年10月13日，美国纪念斯隆-凯特琳癌症中心（Memorial Sloan Kettering Cancer Center）Alexandros Pertsinidis团队在Cell在线发表题为Mechanisms of transcription control by distal enhancers from single-gene nanoscopy的研究论文。研究团队利用实时单基因纳米显微成像，结合靶向蛋白降解与小分子抑制等精准扰动手段，系统定义了E-P通讯的物理参数与分子机制。研究发现，有效的（即能触发转录爆发的）E-P相互作用发生在约≲100 nm的近距离范围内，并与转录爆发在时间上精密协同；黏连蛋白（cohesin）介导的环挤出（loop extrusion）能主动驱动E-P相遇；RNA聚合酶II的通用转录因子（GTFs）会在远端增强子处形成纳米级的簇（cluster），E-P相互作用则通过将启动子嵌入这些簇中来激活转录爆发。

同时可视化增强子、启动子与新生RNA

要回答这些问题，前提是能否有足够的精度真正“看见”增强子与启动子在活细胞中实时互动。研究团队针对两个被已知远端增强子调控的基因 —Klf4和Sox2，在小鼠胚胎干细胞中构建了内源的单基因活细胞成像系统。其基本原理，是给增强子、启动子和新生RNA各装上一个可被特意识别的 “荧光信标”：研究者在增强子和启动子附近分别插入一小段紧凑的DNA标签（TetO 和 LacO操纵子重复序列，约1.5-3kb），再引入能特异结合这两段序列的荧光蛋白（TetR和LacI），从而把原本在显微镜下看不见的增强子和启动子精确“点亮”为两个不同颜色的荧光点；与此同时，在基因末端插入MS2序列，一旦基因开始转录，新生RNA上就会形成可被荧光标记的MCP蛋白识别并结合的茎环结构，从而把“正在转录”这一事件实时标记出来。通过同时追踪这三种荧光信号，该系统实现了约千碱基的基因组分辨率、 约30纳米的空间分辨率和亚秒级的时间分辨率，可同时追踪增强子-启动子之间的相互作用，并实时捕捉转录爆发的发生。

有效的E-P相遇发生在约≲100 nm，并与转录爆发在时间上紧密关联

成像结果给出了清晰的答案：E-P之间的空间距离与转录活性高度相关。无论是Klf4还是Sox2，当转录爆发处于转录开启（ON）状态时，E-P之间的距离都明显更近；而一旦转录关闭（OFF）, 两者的距离便随之拉大。更关键的是，这种关联不仅体现在空间上，也体现在时间上：对单个基因进行连续追踪发现，E-P距离的动态变化与新生RNA的产生在时间上精密同步—增强子恰在基因开启之前就已 “凑近” 启动子 （≲100 nm），并在整个转录爆发过程中持续保持这种距离状态，直到爆发结束后才逐渐分开。这表明真正有效的E-P相遇被限制在近距离范围内，并与转录爆发在时间上紧密耦合。值得强调的是，这种E-P距离与转录活性之间的关联，在此前的研究中一直难以在内源基因上被清晰捕捉。

黏连蛋白通过环挤出主动驱动E-P相遇

那么增强子与启动子究竟如何相遇—是被动游走偶然相撞，还是存在主动牵引？数据明显指向后者。研究者发现，Klf4 E-P的相遇与分离过程存在明显的不对称性：相遇（引发转录爆发）快速而有方向性，分离（导致爆发终止）则更为缓慢、随机。这种不对称正是环挤出（loop extrusion）主动将两个位点拉近的预期特征。而一旦降解黏连蛋白核心亚基Rad21，这种时间不对称便随之消失，相遇与分离变成彼此的"镜像"。

这说明黏连蛋白（cohesin）并非仅仅是将E-P连接在一起的“钳子”（事实上，即使没有黏连蛋白，它们也能连接在一起）—cohesin是一种分子马达，它消耗ATP（能量），并挤出DNA环。环挤出（loop extrusion）的过程是一维的（因为它沿着DNA以连续运动的方式进行），研究的数据表明，黏连蛋白通过这种机制显著提高了E-P 连接的频率。相比之下，通过随机探索三维空间直到两个基因位点偶然相遇的随机过程效率要低得多。

通用转录因子（GTFs）在增强子处聚集,cohesin介导的E-P相互作用增强其活性

E-P靠近之后，又是什么信号真正激活了转录？按照经典模型，增强子主要控制爆发频率，启动子主要控制爆发大小。为检验这一模型，研究团队系统扰动了转录流程的各个环节：DNA结合转录因子（Sox2）、染色质调控因子（Brd4），以及前起始复合物各组分（Tbp/Trf2、TFIID、Mediator、RNA Pol II、TFIIF、TFIIH）和控制延伸进入的Cdk9。

扰动Sox2、Brd4等增强子相关因子，果然主要降低爆发频率，与黏连蛋白缺失的效果一致。但出乎预期的是，对RNA Pol II通用转录因子（GTFs）的扰动同样主要影响爆发频率，而非爆发大小—例如降解Tbp/Trf2与Taf1，使爆发频率下降2–4倍，而振幅几乎不变。更重要的是，所有GTF扰动均不改变E-P距离，说明 GTF 作用在 E-P 相遇建立之后的下游环节，而非控制相遇本身。

活细胞成像进一步显示，Brd4、Med19、Taf1、Tbp等因子会在远端增强子处形成纳米级的簇 (cluster)。那么，这些cluster与转录爆发究竟是什么关系？研究者发现，细胞核内Taf1或Med19的整体浓度变化2倍时，转录响应被明显“缓冲”（变化小于20%），而爆发频率却与增强子处局部cluster的大小呈线性正相关。也就是说，真正起决定作用的并不是GTFs在细胞核里的总量，而是增强子处聚集出的局部浓度。进一步看，基因处于OFF时，启动子与GTFs cluster相距较远；爆发ON时，二者明显靠近，距离变化与E-P距离的变化相吻合，换句话说，E-P靠近，就是启动子被带入增强子的GTFs cluster中。据此，研究者提出，E-P相互作用把启动子嵌入GTFscluster，营造出局部高浓度的环境，从而增强这些GTFs的活性、触发转录爆发。在E-P被人为拉近的42kDel细胞中，Taf1降解的影响相应减弱；双重扰动还发现Taf1与Med19（分属TFIID和Mediator）功能冗余，而削弱E-P相互作用后，这种互相补偿的能力随之丧失，提示E-P相互作用参与增强了GTF的活性。

这项研究揭示了转录爆发与增强子—启动子相互作用之间的联系，并为潜在的分子机制提供了新的见解。论文第一作者为纪念斯隆-凯特琳癌症中心博士后程玲玲博士，通讯作者为Alexandros Pertsinidis教授。

https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(26)01130-X

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