细胞作为生物体基本的结构和功能单位，其命运在发育过程和人类疾病中受到精确调控。自人类基因组计划启动以来，科学家们对基因调控机制的认知已发生了巨大的变化。20世纪80年代，第一个增强子（Enhancers）被发现，其可将基因表达提高200倍，自此，增强子作为与近端启动子配合控制特定基因表达的远端调控元件得到了广泛研究。随着科学技术的发展，染色质的研究扩展到3D维度，远端增强元件通过染色体折叠将激活信号传递至启动子，进一步解释了基因表达调控的准确性，丰富了转录模型理论。
最初，增强子仅指典型增强子（TE），然而，2013年Jakob Lovén等人在Cell（IF：64.5）上发表了题为“Selective inhibition of tumor oncogenes by disruption of super-enhancers”的文章，首次提出了超级增强子（Super-enhancers，SE）的概念，它们是多个单独的调控元件组成的团队，共同驱动非常高水平的基因表达，SE通常是细胞身份基因的调节器，并与复杂的性状和遗传疾病有关。虽然TE和SE相似，都携带相同的成分，如：转录因子(TF)、辅因子、介体复合物、和RNA聚合酶Ⅱ（polⅡ）复合物，但SE携带这些因子的密度平均比TE高10倍。TE和SE的功能和结构的区别如图1所示。
图1 SE与TE的特征比较（Wang et al., 2023）。
SE简介
SE是一大簇顺式-调控DNA元件，与转录因子和辅助因子紧密结合，在定义细胞命运和身份方面发挥关键作用。H3K27ac、H3K4me1和转录辅因子p300等组蛋白标记通常用于定义SE。自从被发现以来，SE一直是越来越多研究的焦点，其可作为生物标志物来开发新型疾病诊断工具并为临床治疗策略建立新方向。因此，SE可以被认为是疾病的新靶点，而针对SEs是一种有前途的治疗策略。
据报道，TE很短，通常跨越100–1000bp的DNA序列，并含有DNA结合位点（TFBS），它们通过不同的亲和力和特异性被序列特异性TF识别。SE是跨度超过10kb的相邻增强子簇，具有高倍增强子活性，可驱动细胞类型特异性基因表达，其包含许多TF结合位点（如胚胎干细胞中的Oct4、Sox2、Nanog和Klf4以及MED1和染色质修饰剂（p300和BRD4）），SE具有组织及细胞特异性，是决定细胞身份的主要因素（图2）。多项研究表明，与TE相比，即使是SE的异位片段也能够在体外诱导高水平的报告基因表达。
图2 SE的结构示意图（Yamagata et al., 2020）。
SE的检测方法大多是以ChIP-seq或CUT&Tag检测主要转录因子、辅因子与BRD4蛋白等共同因子或H3K27ac与H3K4me1在基因组中的结合位点，其中以H3K27ac最为常用。目前，可通过三步法来识别SE：（1）根据细胞类型特异性主转录因子的ChIP-seq或CUT&Tag数据鉴定增强子；（2）12.5kb以内的组成增强子拼接在一起形成单个大序列；（3）BRD4、C/EBPα、MED1、H3K27ac或缝合增强子的其他转录因子的总背景归一化ChIP-seq信号和对剩余的各个增强子进行排序以生成一条曲线，该曲线的斜率为1，作为分离SE和TE的截止值，SE被定义为曲线点上方的区域，其余增强子区域被认为是TE（图3）。
图3 通过ChIP-seq数据分析定义SE（Yang et al., 2023）。
有关各种ChIP-seq数据集中SE的信息可在多个数据库中找到，如dbSUPER、SEdb、SEanalysis和SEA等，这些数据库提供了用于研究超级增强子、靶基因、TF关联和疾病相关SNP之间关系的资源（Yoshino S and Suzuki H I., 2022）。此外，通过与转录组测序数据进行关联分析，可发现SE所调控的靶基因。
SE与疾病发生
从2013年至今，以SE为研究对象的高分文章不断涌现，文章已有6000多篇，其中大部分研究是在恶性肿瘤中进行的，表明其在恶性肿瘤发生、细胞分化、免疫应答等重要生物学过程中发挥着重要调控功能，所调控的基因包含原癌及抑癌基因、细胞身份决定基因、炎症通路关键基因等（图4）。针对SE的鉴定及其在肿瘤和调控机制中的功能，有以下几种可用技术和方法。首先，要识别SE，需要生物信息学数据库预测；之后通过实验（如经典的ChIP-seq实验）验证，近年来，随着生物信息学算法和高通量测序技术的改进，还可通过3C、4C、5C或Hi-C技术直接分析染色质序列之间的相互作用，并鉴定与SE相关的基因；再者，基于CRISPR/Cas9技术，可用于研究SE的功能；此外，利用CRISPR基因编辑技术，结合ChIP-seq、ATAC-seq、CUT&Tag、单细胞测序等技术，还可深入研究SE的转录调控元件。下面，就和小医一起来看几个2023年在高分杂志上发表的关于SE在肿瘤领域研究进展的案例吧！
图4 SE驱动的癌基因在肿瘤中的作用（Wang et al., 2023）。
案例一
2023年5月份，Li等人在Cancer Research（IF：11.2）上发表了题为“LSD1 Inhibition Disrupts Super-Enhancer–Driven Oncogenic Transcriptional Programs in Castration-Resistant Prostate Cancer”的研究性文章。团队通过转录组学分析了一系列对LSD1抑制剂治疗敏感的去势抵抗性前列腺癌（CRPC）异种移植小鼠模型的基因水平，结果显示，LSD1抑制导致的肿瘤生长可归因于MYC信号传导的显著降低，并且发现MYC是LSD1的一致靶点。此外，LSD1与BRD4和FOXA1形成网络，并在表现出液-液相分离的超级增强子（SE）区域富集。将LSD1抑制剂与BET抑制剂相结合，在破坏CRPC中多个驱动因素的活性方面表现出强大的协同作用，从而显著抑制肿瘤的生长。重要的是，在破坏新发现的CRPC特异性SE亚群方面，联合治疗显示出比单独使用任一抑制剂更佳的效果。这些结果为共同靶向两个关键表观遗传因素提供了机制和治疗见解，并且可以快速应用于治疗临床CRPC患者。
图5 共同靶向LSD1和BRD4协同破坏了临床鉴定的CRPC特异性SE结果说明（Li et al., 2023）。
案例二
2023年7月份，Jia等人在Cell Death & Disease（IF：9）上发表了题为“JUN-induced super-enhancer RNA forms R-loop to promote nasopharyngeal carcinoma metastasis”的研究性文章。团队通过分析ChIP-seq、GRO-seq、HiChIP和公开数据集，深入分析了SE以及SE产生的RNA（seRNA）对鼻咽癌（NPC）转移的影响，介绍了一种参与NPC转移的新型seRNA-NPCM（与NPC转移相关的特定seRNA），并提出了NPC转移的潜在分子机制。经鉴定，团队发现JUN介导的seRNA-NPCM可形成R环以调控SE和远端NDRG1启动子之间的染色质环，促进NPC转移，并且seRNA-NPCM被证明与ACTA1蛋白相互作用，进一步的，hnRNPR被鉴定为一种与seRNA-NPCM相互作用的蛋白质。也就是说，seRNA-NPCM通过与hnRNPR和ACTA1蛋白结合促进染色质成环，并且hnRNPR蛋白锚定在NDRG1和TRIB1启动子附近，部分seRNA-NPCM通过R环与SE区域杂交，将SE拉近NDRG1和TRIB1的启动子，从而调节它们的转录。最终，团队提出seRNA-NPCM/hnRNPR/ACTA1/NDRG1信号轴可能是NPC治疗的新的潜在靶点。
图6 seRNA-NPCM通过R环形成调节NDRG1和TRIB1表达的模型示意图（Jia et al., 2023）。
案例三
2023年9月份，Antal等人在Nature Communications（IF：16.6）上发表了题为“A super-enhancer-regulated RNA-binding protein cascade drives pancreatic cancer”的研究性文章。团队通过对16种不同的人胰腺导管腺癌（PDAC）细胞系中的SE进行无偏分析，鉴定出876种不同的SE，确定了HNRNPF（一种可选择剪接、聚腺苷化和RNA稳定性的调节因子）及其下游调控基因PRMT1在肿瘤生长中的关键作用。同时，分析公开的人类单细胞（sc）RNA-seq数据的结果表明，与正常导管相比，HNRNPF在PDAC细胞中的显著上调上调，其表达随肿瘤分期而增加。进一步的研究发现，删除SE或敲除细胞系中的HNRNPF基因可有效减缓PDAC细胞的生长，且HNRNPF的KO原位移植小鼠模型进一步证实了HNRNPF在肿瘤生长中的作用。最终，团队发现了一个Myc（一种在多种恶性肿瘤中发生突变的癌症相关基因）协调的HNRNPF SE调节网络，该网络通过增加核糖体生物发生来上调翻译，以维持转化的癌症表型。通过剖析特定的SE级联反应，确定了PRMT1（受HNRNPF激活影响的蛋白质之一）可作为治疗PDAC的药物靶标，用于拦截SE驱动的恶性肿瘤，同时有可能避免其他临床SE靶向疗法中出现的一些严重毒性。
图7 HNRNPF SE通过调控HNRNPF表达，调节肿瘤生长模型示意图（Antal et al., 2023）。
总结
SE生物学的基本理论及其功能在过去的几十年里已有报道。大量研究表明，SE会促进癌基因的过表达，而特定的肿瘤治疗途径可能包括改变SE结构和复合物。然而，我们对SE了解只是冰山一角。目前，尚不清楚抑制肿瘤的SEs是如何特异性产生的，或者它们是否有助于正常细胞中的肿瘤抑制。尽管SE抑制剂目前有研究证实可能可用于治疗某些恶性肿瘤，但由于对SE复合物不同成员的生物学了解有限，迄今为止，所创造的药物仅发挥了有限的治疗效果，并没有药理学成功的迹象。
参考文献
Antal C E, Oh T G, Aigner S, et al. A super-enhancer-regulated RNA-binding protein cascade drives pancreatic cancer[J]. Nature Communications, 2023, 14(1): 5195.
DAVakoc L, RA C. Selective inhibition of tumor oncogenes by disruption of super-enhancers. Cell 153[J]. 2013.
Li M, Liu M, Han W, et al. LSD1 Inhibition Disrupts Super-Enhancer–Driven Oncogenic Transcriptional Programs in Castration-Resistant Prostate Cancer[J]. Cancer Research, 2023, 83(10): 1684-1698.
Jia Q, Tan Y, Li Y, et al. JUN-induced super-enhancer RNA forms R-loop to promote nasopharyngeal carcinoma metastasis[J]. Cell Death & Disease, 2023, 14(7): 459.
Wang M T, Chen Q Y, Wang S J, et al. Super-enhancers complexes zoom in transcription in cancer[J]. Journal of Experimental & Clinical Cancer Research, 2023, 42(1): 183.
Yamagata K, Nakayamada S, Tanaka Y. Critical roles of super-enhancers in the pathogenesis of autoimmune diseases[J]. Inflammation and Regeneration, 2020, 40(1): 1-9.
Yang Z, Liu Y, Cheng Q, et al. Targeting super enhancers for liver disease: a review[J]. PeerJ, 2023, 11: e14780.
Yoshino S, Suzuki H I. The molecular understanding of super-enhancer dysregulation in cancer[J]. Nagoya Journal of Medical Science, 2022, 84(2): 216.