ESCs自我更新和多能性调控的研究多集中在转录因子调控机制和信号通路调控机制等方面，近年来研究表明，表观遗传调控在ESCs增殖分化和命运决定等方面起着关键的作用。而超级增强子作为大型顺式调控元件，高度富集H3K27ac、H3K4me1等表观遗传修饰，其在ESCs中的功能作用我们还知之甚少。
胚胎干细胞来源于植入前胚泡囊胚期内细胞团，是取出的内细胞团细胞在体外适当的培养条件下驯化，形成的稳定并且具有分化多潜能性和无限自我更新能力的一种细胞系。多能性是指ESCs具有产生发育中胚胎和成年生物的所有细胞谱系的能力；自我更新能力是ESCs保持干性的状态下增殖的能力[1]。ESCs的这种能力特点使其为组织修复和再生的研究提供了广阔的前景，并且为建模人类疾病和理解生物进化提供了强大的工具。发育缺陷会导致许多疾病，ESCs多能性和自我更新能力是胚胎发育的关键，因此，研究其分子机制十分重要，对多能干细胞调控机制的进一步了解可能会发现针对治疗发育缺陷而造成的疾病新方法。
ESCs多能性维持的调节机制必须平衡其稳定性，维持多能性和可塑性，以允许进入特定的分化程序。目前研究发现，维持mESCs的多能性调节机制有多种，包括Oct4、Sox2、Nanog及Klf家族基因Klf2、Klf4、Klf5等复杂且互动的转录因子调节机制[10]，LIF信号通路、BMP信号通路及Wnt信号通路等信号传导调节机制，以及MicroRNA（miRNA）、非编码RNA（non-coding RNA，ncRNA）、染色质重塑及组蛋白修饰等小RNA传导和表观遗传调控机制[2]。
基因表达的特异性是组织功能和特性的关键，在很大程度上取决于转录水平。 位于转录起始位点近端的启动子在启动基因表达中起着至关重要的作用，但是它们的活性在很大程度上取决于更多的远端调节元件的作用。在这些调控元件中，增强子是最具特色的，通常具有H3K27ac和H3K4me1等特定的染色质修饰。
目前，增强子被定义为短（〜100–1000bp）的非编码DNA序列，由转录因子识别基序的浓缩簇组成。增强子驱动基因转录与其和同源启动子之间的距离，位置或方向无关。SE是增强子中较大的转录调节域，由长基因组结构域组成，该基因组结构域由被高水平的H3K4me1，H3K27ac，P300或主转录因子占据的增强子簇组成。SE的大小，转录因子密度和含量，对转录因子的结合敏感性以及主动转录与经典增强子（Typical Enhancers，TEs）不同。与TE相比，SE在细胞中的数目较少，但在基因组中占据的范围较大，一般在10~60Kb，TE的大小仅有1~4Kb（如图1.3所示）。并且SE的细胞特异性更强，绝大多数SE仅出现在少数或单个细胞类型当中。此外，SE比TE产生更高水平的增强子RNA（eRNA），并具有激活靶基因转录和驱动基因表达高潜能性。在ESCs中，超级增强子与主要多能性转录因子相关，例如Oct4，Sox2和Nanog。同时，多个主转录因子占据着共同的超级增强子，通过形成高度交织的调节网络进一步放大超级增强子相关靶基因（包括主转录因子本身）的表达水平[3]。
SE定义如下：SE的识别基于它们能够结合启动子转录活性标记蛋白（包括辅因子，例如Cohesin和Mediator等），组蛋白修饰标记蛋白（例如H3K27ac和H3K4me1）和染色质修饰蛋白（例如p300）。研究表明，三维基因组组织在基因调节和细胞功能中起关键作用，还表现出细胞类型的特异性。特别是CTCF介导的两个染色质结构域相互作用形成的染色体环结构内的绝缘邻域，为精确的基因表达控制提供了强大的支撑。此外，研究表明基因组被组织为相对于细胞类型稳定的拓扑结构域，同一TAD中的基因和调控元件表现出高度相关性，将超级增强子的超转录活性严格限制在绝缘的邻域内，能将它们更为精确而特异地束缚在其靶基因上。最近的研究表明，增强子也可以通过染色质长距离相互作用跨TAD发挥调控作用，并且超级增强子具有介导长距离DNA相互作用和环化的两个因子Cohesin和CTCF的相对较高的占用率，因此将超级增强子和启动子连接的染色体环得到更严格控制和维持[4]。超级增强子及其缺陷已被证明与多种疾病相关联，包括癌症、代谢性疾病和免疫性疾病等。此外，研究表明增强子在前列腺癌中发挥着重要的功能作用，不仅能够维持邻近基因的高表达，并且能够通过染色质长距离相互作用跨TAD调控同一染色体其它基因，甚至能够跨染色质发挥功能作用[5]。
染色质长距离相互作用由CTCF和粘着蛋白形成的结构环将基因组折叠成域（TAD），而增强子则与跨越巨大基因组距离的启动子相互作用，从而调节基因表达。这种染色质长距离相互作用的方式在哺乳动物基因组中普遍存在，因此，染色质长距离相互作用的研究对我们理解胚胎发育和癌症等相关疾病的分子机制具有十分重要的意义[6]。
基因组学和细胞固定成像的方法有助于阐明染色质相互作用的许多方面，但无法确定时间信息。尽管目前对基因组学的研究越来越深入，增强子与启动子之间的相互作用的基因座特异性机制以及三维基因组组织和染色质环化动力学及功能仍不清楚。目前，研究发现三维超分辨率活细胞成像可能会成为动态探测3维基因组结构和功能以及研究增强子和启动子相互作用和染色质环化的关键工具[6]。
3 总结
ESCs具有在体外培养保持不分化状态下不断自我更新的能力，并且可以体外定向诱导分化形成胚胎三个胚层所有类型的细胞。这种特点使其在组织分化、动物发育、细胞治疗和再生医学等研究中具有重要意义。
基因组中的转录调控元件（激活子、抑制子等）是细胞分化、发育、衰老和疾病过程中基因组动态变化的关键因素。其中，激活子包括启动子和增强子，启动子定义基因的转录起始位点，而增强子则是增强这种转录起始的元件。增强子可直接接触启动子或通过转录聚合物与启动子结合促进基因的表达[38]。随着基因组学的发展，我们对增强子与启动子之间的调控关系有越来越清晰的认识，并且发现由多个增强子串联的大型转录调控元件——超级增强子，往往在特定细胞类型中起着关键调控作用。
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38. BRANDAO HB, GABRIELE M, HANSEN AS. Tracking and interpreting long-range chromatin interactions with super-resolution live-cell imaging [J]. Curr Opin Cell Biol. 2020, 70: 18-26.