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亚历山大·斯塔克

对发育或环境刺激作出反应的基因表达调控是所有生物体的一个关键机制。我们着迷于这样一个问题，即转录是如何在增强子和核心驱动DNA元素以及介导转录激活的转录因子和辅因子蛋白的水平上进行调节的。我们使用全基因组功能分析、生物信息学和质谱；并开发可提供直接功能读数的高控制报告分析。我们的目标是了解转录，并最终了解转录网络如何定义细胞和发育程序。

了解转录调控

转录——将基因组DNA复制成RNA——是生物学中最令人着迷的过程之一，尤其是在不同细胞类型转录不同基因以获得不同形态和功能的动物中。这种差异基因转录是多细胞性的先决条件，多细胞性是动物发育的主要驱动力，也是我们观察到的密切相关物种之间大多数差异的基础；在这一严格监管的过程中，失败会导致包括癌症在内的许多疾病。

对我们来说，转录调控的表面简单性和获得令人满意的机械见解的表面困难性之间的差异尤其令人着迷：增强子序列通常在其内源性基因组背景和简单报告系统中可靠地驱动基因表达模式。然而，尽管定义了这种序列-功能关系，但增强子活性的确切序列要求仍然未知。同样，转录因子和辅因子蛋白的组合如何控制增强子功能并介导靶向核心蛋白的转录激活，目前仍不清楚。

我们的目的是了解转录是如何在两种关键的调控基因组元件（增强子和核心促动子）以及介导转录激活的转录因子和辅因子蛋白的水平上进行调控的。为了实现这一目标，我们采用了跨学科的方法，使用全基因组功能分析、生物信息学、生物化学和质谱。我们开发并使用高度可控的报告分析方法，为我们提出的每个问题提供可靠的功能读数，同时避免复杂基因调控系统中存在的许多混淆问题体内.

全基因组定量增强子活性图

我们开发了STARR–seq（自转录活性调控区域测序），这是一种基于下一代测序的大规模平行增强子活性测定。STARR-seq允许在整个基因组中以直接和定量的方式鉴定转录增强子，绘制全基因组的定量增强子活性图。我们正在果蝇和人类细胞中应用STARR-seq，以了解细胞型特异性增强子活性的序列基础。

图1:Eip75基因位点用蜕皮激素处理果蝇S2细胞前后的STARR-seq片段密度。诱导峰呈红色阴影，而抑制峰呈蓝色阴影（Shlyueva等人，Molecular Cell 2014）。

果蝇胚胎的基因组尺度增强子特征

图2：转基因果蝇胚胎的增强筛选。我们在这里展示了一个在我们的增强子分析中染色阳性的胚胎样本，并显示了不同的活动模式。胚胎处于不同的阶段，显示为左侧前方的横向。插图显示了背外胚层中带有增强子活性信号的胚层胚胎放大图（Kvon等人，《自然》2014）。

我们已经测定了7793个转录报告基因结构在转基因系中单一基因组位置整合的果蝇胚胎中的时间和空间增强子活性(维也纳文件库). 这为研究发育基因调控如何在动物基因组中组织以及调控DNA序列如何编码不同的基因表达模式提供了第一个基因组尺度的视角。

所有数据均可从http://enhancers.starklab.org.

增强反应性的全基因组评估

我们已经开发了STAP-seq（自转录活性核心启动子测序）来测量增强反应性全基因组范围内的核心候选基因。当STARR-seq使用恒定的核心驱动因子评估增强子功能时，STAP-seq量化了核心驱动候选因子从定义的恒定增强子启动转录提供的激活输入的能力。因此，STAP-seq能够识别转录起始位点（TSS），并量化每个TSS对增强子（即TSS的增强反应性.  

转录因子和辅因子调节活性的直接鉴定

我们开发了一种增强子互补分析，该分析可以测试转录因子和辅因子的调节活性，而不管它们的内源性DNA结合特异性和发育作用如何。通过将这些因子连接到突变增强子的不同位点，我们能够量化它们在不同环境中的调节活性。我们对474个果蝇转录因子和338个转录辅因子功能的研究结果可从http://factors.starklab.org.

破解转录调控代码

我们使用生物信息学和机器学习来剖析调控序列，并确定预测调控功能和增强活性所需的序列特征（例如TF基序）。我们的目标是：系统地了解增强子的结构和功能，即“破解”监管代码；根据DNA序列预测增强子活性；了解转录网络如何定义细胞和发育程序。

图3：两种增强子的STARR-seq片段密度，每种增强子在三种果蝇细胞系中的一种中都具有特异性活性（S2：胚胎，OSC：成年卵巢，BG3：幼虫神经元；Yáñez Cuna等人，基因组研究2014）。

比较基因组学——通过进化追踪序列

基因组中的功能元件通常处于进化选择之下，以维持其在相关生物体中的功能。我们研究了不同果蝇物种之间TF结合和增强子活性的保守性和差异性以及潜在的调控DNA序列。保守性和差异性使我们能够深入了解基因调控是如何编码在DNA序列中的，以及它在进化过程中是如何变化的。

确定和了解组织特异性TF结合

确定和了解组织特异性TF结合
转录因子在发育阶段和不同组织中被使用，并且在每种环境中通常结合并调节不同的靶点。我们使用组织特异性ChIP-Seq来确定上下文特异性TF结合并研究其序列决定因素，重点关注胚胎中胚层和肌肉发育、昼夜节律钟和同源盒（Hox）转录因子。

选定出版物

  • 哈伯勒，V.，阿诺德，CD，帕加尼，M.，拉特，M.、舍恩胡贝尔，K.、斯塔克，A.（2019）
    转录辅因子对不同类型的核心启动子具有特异性。
    自然。570(7759):122-126.
  • Arnold，CD，Zabidi，MA，Pagani，M，Rath，M.，Schernhuber，K.，Kazmar，T.，Stark，A.（2017）。单基对分辨率下序列内在增强子反应性的全基因组评估。国家生物技术。35(2):136-144
  • Stampfel，G.、Kazmar，T.、Frank，O.、Wienerroither，S.、Reiter，F.、Stark，A.（2015）。转录调节剂形成具有上下文依赖性调节功能的不同组。自然。528(7580):147-51 
  • 马萨诸塞州扎比迪、CD州阿诺德、K·舍恩胡贝尔、M·帕加尼、M·拉特、O·弗兰克、A·斯塔克（2015）。增强型核心-promotor特异性将发育和内务基因调控分开。自然。518(7540):556-9 
  • Arnold，CD、Gerlach，D.、Stelzer，C.、Boryń、ŁM。，Rath，M.、Stark，A.（2013）。STARR-seq鉴定的全基因组定量增强子活性图。科学。339(6123):1074-7

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