[논문 리뷰] In vitro binding energies capture Klf4 occupancy across the human genome

Anne Schwager, Jonas Neipel외 5명|arXiv (Cornell University)|2026. 01. 22.

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한 줄 요약

이 연구는 인간 Klf4 결합 에너지를 시험관 내에서 측정하고, 선형 에너지에 아이징-모델을 더한 프레임워크가 모티프 서열 및 비모티프 서열 전반의 Klf4 결합을 포착하여 추가 적합 없이 게놈 전체의 점유 예측을 가능하게 한다고 보인다.

ABSTRACT

Transcription factors (TFs) regulate gene expression by binding to specific genomic loci determined by DNA sequence. Their sequence specificity is commonly summarized by a consensus binding motif. However, eukaryotic genomes contain billions of low-affinity DNA sequences to which TFs associate with a sequence-dependent binding energy. We currently lack insight into how the genomic sequence defines this spectrum of binding energies and the resulting pattern of TF localization. Here, we set out to obtain a quantitative understanding of sequence-dependent TF binding to both motif and non-motif sequences. We achieve this by first pursuing accurate measurements of physical binding energies of the human TF Klf4 to a library of short DNA sequences in a fluorescence-anisotropy-based bulk competitive binding assay. Second, we show that the highly non-linear sequence dependence of Klf4 binding energies can be captured by combining a linear model of binding energies with an Ising model of the coupled recognition of nucleotides by a TF. We find that this statistical mechanics model parametrized by our in vitro measurements captures Klf4 binding patterns on individual long DNA molecules stretched in the optical tweezer, and is predictive for Klf4 occupancy across the entire human genome without additional fit parameters.

연구 동기 및 목표

• Klf4의 짧은 DNA 서열에 대한 서열 의존적 결합 에너지 지형을 시험관 내에서 정량화한다.
• 결합 에너지의 비선형성을 간단한 통계 모델로 포착할 수 있음을 입증한다.
• 추가 적합 없이 시험관 내 에너지 모델이 긴 DNA 분자와 인간 게놈 전반에 걸친 Klf4 점유를 예측하는지 테스트한다.
• 모델이 모티프를 포함한 서열에서 비모티프 서열로 얼마나 잘 일반화되는지 탐색한다.

제안 방법

• 형광 이방성 기반의 대량 경쟁 결합 분석법을 사용하여 인간 Klf4가 짧은 DNA 서열 라이브러리에 대해 물리적 결합 에너지를 측정한다.
• 서열에 대한 Klf4 결합 에너지의 매우 비선형 의존성을 특성화한다.
• Klf4의 결합 에너지를 선형 모델과 아이징 모델을 결합하여 뉴클레오타이드 인식을 포착한다.
• 광 트리저로 늘린 단일 긴 DNA 분자에서 모델을 검증한다.
• 추가 적합 매개변수 없이 시험관 내에서 도출된 모델을 사용한 게놈 전체 점유 예측을 테스트한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시험관 내에서 측정된 결합 에너지가 긴 DNA 분자에서의 Klf4 점유 패턴을 얼마나 잘 재현하는가?
• RQ2 선형 에너지 모델에 아이징 유형의 뉴클레오타이드 상호작용을 더하면 모티프 및 비모티프 DNA 서열 전반에서 Klf4 서열 특이성을 포착할 수 있는가?
• RQ3 추가 매개변수 적합 없이 시험관 내 에너지 모델이 Klf4 게놈 전체 점유를 예측할 수 있는가?

주요 결과

• Klf4 결합 에너지가 서열에 따라 나타내는 비선형 의존성은 선형 에너지 모델과 뉴클레오타이드 인식의 아이징 모델로 포착된다.
• 실험실 내 측정으로부터 추정된 모델 매개변수는 광 트로이저에서 긴 DNA에 대한 Klf4 결합 패턴을 재현한다.
• 결합 모델은 추가 적합 매개변수 없이 인간 게놈 전반의 Klf4 점유를 예측한다.
• 이 접근법은 측정 가능한 결합 에너지를 척추동물 TF의 게놈 전체 위치 패턴과 연결한다.
• 이 연구는 시험관 내 에너지와 생체 내와 유사한 점유 패턴 사이의 정량적 다리를 제공한다.