Mol Cell亮点 | Robert Tjian课题组揭示液-液相分离可抑制内源性基因的转录

从上个世纪80年代开始，真核生物基因的转录被证实由与特定DNA序列相结合的转录因子启动。然而人们对于转录因子的低复杂度序列结构域 (low-complexity domain, LCD) 如何实现启动转录的功能却一直难以理解。这些LCD属于内在无序蛋白质(intrinsically disordered proteins)。由于它们不能折叠成特定的蛋白质结构而且常常难以纯化，经典的结构生物学和生物化学方法常常无法帮助理解其功能。近年来通过活细胞单分子成像实验，人们开始认识到转录因子的LCD可形成微弱的、多价的、选择性的蛋白质相互作用。这种相互作用促使转录因子在特定的基因组位点上形成“聚集中心 (hub) ”并实现启动基因转录的功能。然而LCD的多价相互作用具体如何调控转录却尚不清楚。由于大量的多价相互作用会导致液-液相分离，近年来的一个提议是相分离构成了启动转录的主要机理，然而这一说法存在争议并且缺乏实验数据支持（相分离与其生理功能是否存在因果关系？）。

2022年4月27日，美国加州大学伯克利分校Robert Tjian（钱泽南）课题组在Molecular Cell杂志在线发表题为 Tuning levels of low-complexity domain interactions to modulate endogenous oncogenic transcription 的论文。该文用定量的单细胞及单分子成像技术阐明了LCD的多价相互作用与内源性基因调控的关系，揭示了转录因子需要其多价相互作用达到最佳水平以启动目标基因的转录，并首次报道了液-液相分离会抑制内源性基因转录这一有趣的现象。文章的第一作者种莎莎博士现任美国加州理工学院助理教授。

作者研究的模型体系为导致尤文肉瘤的致癌转录因子EWS::FLI1。这一转录因子表达自一个因染色质易位产生的融合致癌基因。它通过启动致癌的基因转录程序而导致尤文肉瘤。作者之前的工作使用CRISPR基因组编辑技术对尤文肉瘤细胞的内源EWS::FLI1蛋白进行荧光标记，通过活细胞单分子成像实验发现EWS::FLI1在其内源性目标基因上可通过其LCD (EWS LCD) 的多价相互作用形成聚集中心。这一结构的形成对EWS::FLI1的转录和致癌功能都至关重要。在最新的这项工作中，作者在尤文肉瘤细胞中过量表达能够与EWS::FLI1形成同型或异型多价相互作用的LCD (EWS LCD或TAF15 LCD) ，使这些外源LCD分子自然地富集在内源EWS::FLI1已形成的聚集中心以提高局部的LCD浓度和相互作用。作者同时使用了内含子RNA荧光原位杂交技术(intron RNA fluorescence in situ hybridization, intron RNA FISH) 在单细胞水平上测量内源性基因的新生转录水平，发现增加局部的LCD多价相互作用会抑制EWS::FLI1对其目标基因转录的启动。当过量的LCD多价相互作用发生并导致液-液相分离，其对转录的抑制效果会进一步加剧。这一有趣的发现跟之前人们的相分离帮助启动基因转录的想法相悖。

作者进一步将EWS LCD融合到核仁磷酸蛋白 (Nucleophosmin, NPM1) 上，在核仁中形成异常的EWS LCD多价相互作用以吸引内源EWS::FLI1进入核仁。这样改变其多价相互作用在细胞中所发生位置同样抑制了EWS::FLI1对其目标基因转录的启动，并且阻碍了细胞的致癌性转化。因为目前尤文肉瘤仍然没有有效的靶向治疗药物，通过调控多价相互作用发生的位置来干扰EWS::FLI1的致癌功能有望成为新的治疗策略。

因为核仁已被充分证明是由液-液相分离形成的无膜细胞器，将原本位于核质的转录因子捕捉到核仁中提供了一个探测相分离如何影响蛋白质的动态行为的独特机遇。作者使用活细胞单分子成像和频闪光激活单粒子追踪技术 (stroboscopic photo-activatable single particle tracking, spaSPT) 测量了内源EWS::FLI1在核仁内外的扩散系数。EWS::FLI1在核仁内明显比其在核质扩散得更慢。这一结果与之前文献报道的核仁具有更高粘度这一事实相吻合，同时佐证了核仁与核质之间存在相分离。鉴于当前仍然缺乏严格证明体内的液-液相分离的方法，这一实验提供了一个全新检测方法的概念验证 – 利用单分子追踪测出蛋白质不同的扩散行为以证明相分离。

该研究使用先进的光学成像技术首次揭示了基因调控中的一条基本原理 – 转录因子需要其LCD的多价相互作用达到最佳水平来启动转录，并且回应了关于转录因子相分离如何影响基因转录的争论。此外，该研究从调控致癌转录因子多价相互作用在细胞内发生的位置出发，提出了治疗尤文肉瘤的新策略。该研究同时首创了用单分子成像有效检测体内液-液相分离的方法，填补了相分离领域的重要空白。

原文链接：

https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(22)00318-5