[论文解读] In vitro binding energies capture Klf4 occupancy across the human genome

Anne Schwager, Jonas Neipel+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2026

Kruppel-like factors research被引用 0

一句话总结

该研究在体外测量人类 Klf4 的结合能，并显示线性能量+ Ising 模型框架能够捕捉 Klf4 在靶序列和非靶序列上的结合，从而在无需额外拟合的情况下实现全基因组占据预测。

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.

研究动机与目标

• 在体外定量 Klf4 对短DNA序列的序列依赖结合能景观。
• 证明简单统计模型能捕捉到结合能的非线性。
• 验证体外能量模型在长DNA分子和整个人类基因组上的占据预测，且不需要额外拟合。
• 探究该模型从含有基序到不含基序序列的一般化能力。

提出的方法

• 使用荧光各向异性基于体积竞争结合分析法，测量人类 Klf4 与一系列短DNA序列的物理结合能。
• 表征 Klf4 结合能对序列的高度非线性依赖。
• 将线性结合能模型与 Ising 模型相结合，以捕捉 Klf4 对核苷的耦合识别。
• 在光镊中对单分子长DNA进行验证性测量。
• 在不需要额外拟合参数的前提下，使用体外推导的模型进行全基因组占据预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 在体外测量的结合能在多大程度上再现长DNA分子上的 Klf4 占据模式？
• RQ2 是否能通过线性能量模型并辅以 Ising 型核苷相互作用来捕捉 Klf4 对 motif 与非 motif DNA 序列的序列特异性？
• RQ3 在没有进一步参数拟合的情况下，体外能量模型是否能预测 Klf4 的全基因组占据？

主要发现

• Klf4 结合能对序列的非线性依赖被线性能量模型+核苷识别的 Ising 模型所捕捉。
• 从体外测量中推断的模型参数再现了光镊中长DNA上的 Klf4 结合模式。
• 组合模型在不需要额外拟合参数的情况下，预测人类基因组上的 Klf4 占据。
• 该方法将可测的结合能与脊椎动物转录因子在全基因组的定位模式联系起来。
• 该工作在体外热力学和体内相似占据模式之间提供了定量桥梁。