功能相关基因协调表达的多种策略：双向启动子、基因簇、DNA 环化、操纵子及基因编辑及学术资讯

生物的发育和内环境稳定需要大量基因的协调时空表达。近日，美国辛辛那提大学医学院的Ertuğrul M. Özbudak团队在Trends in Genetics上发表了题为“Regulatory mechanisms ensuring coordinated expression of functionally related genes”的研究综述，介绍了实现基因共表达的不同策略，以及基因成对和成簇表达的优缺点。

作者首先介绍了实现基因共表达的各种策略，例如采用多种策略形成操纵子，利用双向启动子、基因簇、通过DNA looping在基因间共享增强子，以及形成拓扑相关结构域和转录凝聚体。通过这些不同策略实现的共表达可能在最大限度地减少基因表达的变异性，建立剂量平衡以确保蛋白质复合物的化学计量以及最大限度地减少有毒中间代谢物的积累方面具有功能重要性。

其中，操纵子利用单个启动子来启动转录成单个mRNA的多个基因的转录。因此，操纵子中的基因组织一般几乎为完美的共表达。研究最充分的操纵子是大肠杆菌乳糖操纵子。乳糖操纵子包含三个基因，lacZ、lacY、lacA，编码蛋白参与乳糖吸收和代谢(图1B)。随着基因间距离的增加，复杂的DNA-染色质相互作用将同一染色体上的基因分为拓扑相关域(TADs)(图1F)。TAD 边界存在许多丰富的结合蛋白，例如脊椎动物中的 CTCF 和 Cohesin 。随着单细胞测序技术的进步，人们可以在单细胞分辨率下量化全基因组共表达。一项单细胞测序研究表明，在小鼠胚胎干细胞（MESC）中，位于同一染色体上的基因表现出高度的共变异：染色体上相距小于5 Mb的基因在其中富集约四倍，而相距超过50 Mb的基因富集约两倍。然而，位于同一TAD内的基因共变异的可能性高出15倍。类似地，位于不同染色体上但位于3D核空间近端的基因也表现出显著的共变异，这表明转录工厂在多条染色体之间形成。

其次，随着基因编辑工具和计算模型的发展；大部分研究将现代工具，如 CRISPR/Cas9 和其他基因编辑机制与计算建模相结合，从而阐明不同生物体中不同基因对和簇的功能优势和选择优势。然而将基因成对和成簇组织起来，在提供一些好处的同时，也可能增加突变负担，因为单个突变可能会影响多个相邻基因的表达。此外，单细胞成像和高通量方法阐明了实现协调基因表达不同策略之间的层次关系。从长远来看，可能会进一步详细了解基因调控网络及其在胚胎发育和体内平衡中的作用。

总之，随着基因编辑、单细胞测序和成像工具的进步，人们可以进一步地测试不同共表达策略在各种生物过程中的功能重要性，从而为未来的科学研究贡献新的成果。