专家点评Nat Cell Biol | 魏祎等揭示TOR信号通路调控细胞增殖和有性分化的分子机制

 收藏

关键词：揭示CellNat细胞

资讯来源：BioArt

发布时间： 2021-02-22

点评 | 何向伟 （浙江大学）

责编 | 兮

生物体内细胞增殖，分化和发育是一个复杂的过程，需要对基因表达进行精细调控。值得注意的是，细胞能够通过对基因组进行重新编程来响应各种刺激，从而启动细胞命运决定和发育程序【1】。保守的信号转导途径接收整合来自细胞内外各种信息，包括环境因素和生长发育信号，以调节基因表达并触发适当的细胞转化【2】。然而，信号传导级联的下游靶标，特别是最终导致基因表达发生大规模变化的关键效应因子，仍然知之甚少。

真核细胞中的基因表达由几种相互关联的机制调控。除了指导基因表达的转录因子，表观遗传机制通过修饰染色质为“开放”常染色质和“封闭”异染色质来调节基因转录【3】。异染色质带有标志性的组蛋白H3，9位赖氨酸甲基化（H3K9me）标记。组成型异染色质（Constitutive heterochromatin）优先靶向重复性DNA并可以稳定遗传，而兼性异染色质（Facultative heterochromatin）覆盖发育调控的基因并响应细胞和环境信号【3】。由于其动态特性，兼性异染色质对分化刺激或环境变化诱导的基因表达重编程起着重要作用。基因调控的另一个重要方面涉及转录后机制（Posttranscriptional mechanisms），该机制通过控制靶RNA的清除（RNA elimination）调节其稳定性【4,5】。尽管兼性异染色质和RNA清除过程对控制基因表达具有重要意义，但它们如何通过信号传导机制进行调控仍不清楚。

2021年2月11日，美国国立卫生研究院肿瘤研究中心 Shiv Grewal院士实验室在 Nature Cell Biology杂志上在线发表了题为 TOR targets an RNA processing network to regulate facultative heterochromatin, developmental gene expression and cell proliferation 的文章（魏祎博士与Nathan N. Lee博士为本文共同第一作者）。 该研究以裂殖酵母为对象，将真核生物中保守的TORC1 （Target of rapamycin complex 1） 信号通路连接到兼性异染色质组装/靶RNA清除的转录调控进程，对理解该信号通路如何调控细胞增殖和配子发生 （Gametogenesis） ，以及如何导致各种人类疾病具有重大意义。

研究人员首先发现氮饥饿与糖饥饿都会擦除包裹配子发生基因（Gametogenic gene）的兼性异染色质，提示兼性异染色质组装响应外界环境营养信号。通过小范围筛选，发现在真核细胞中整合细胞内/外营养信号，并促进细胞代谢和增殖的中央调节因子TORC1负责调控兼性异染色质组装。已知介导配子发生基因RNA降解的RNA清除复合体MTREC （哺乳动物中的PAXT复合体）同样负责兼性异染色质的组装【6,7】，作者发现TORC1信号通路可以调节MTREC复合体中蛋白因子Pir1的稳定性，Tor2 （TORC1的催化亚基）失活可以促进Pir1通过泛素-蛋白酶体系统降解，解聚兼性异染色质，并最终导致配子发生基因表达上调。

接下来研究人员围绕 Tor2失活如何导致Pir1降解这一问题开展了一系列机制研究。Pir1是一个富含丝氨酸/脯氨酸的蛋白因子，首先发现Pir1是Tor2的直接底物，Tor2可以介导Pir1上多个丝氨酸位点磷酸化，重要的是Pir1-S285位磷酸化对于稳定Pir1有重要作用。引入模拟丝氨酸磷酸化的Pir1-S285D单氨基酸突变，可以在Tor2失活的细胞中稳定Pir1，阻止Pir1通过泛素-蛋白酶体系统降解，并部分恢复兼性异染色质，进一步证明了TORC1通过磷酸化Pir1稳定MTREC复合体，介导兼性异染色质的组装和沉默配子发生基因。值得一提的是，Pir1-S285位于一个保守的结构域中，这一结构域同样存在于Pir1的人源直系同源物ZFC3H1中，提示高等哺乳动物中存在类似的mTOR调节PAXT复合体调控基因表达的机制。

进一步，研究人员发现Tor2失活导致多聚泛素基因 ubi4表达大量上调，Ubi4编码五个串联泛素蛋白，Ubi4激活是细胞应对外界环境刺激，快速调节胞内蛋白质组成的重要手段。研究人员发现Pir1降解依赖Ubi4，敲除 ubi4可以在Tor2失活的细胞中稳定Pir1，阻止Pir1泛素化，恢复兼性异染色质，并且沉默配子发生基因。通过转录组分析，作者确定了一类MTREC复合体的靶基因（MTREC Regulon gene），Tor2失活， Regulon基因表达上调，敲除 ubi4稳定Pir1，Regulon基因表达下调。同时，研究人员还鉴定到了介导Pir1泛素化的泛素化E3连接酶是Cul4-Ddb1复合体，敲除 cul4 或 ddb1可以观察到与 ubi4缺失类似的表型。至此，研究人员证明Tor2通过维持Pir1 的稳定性组装兼性异染色质和沉默配子发生基因；Tor2失活导致Pir1去磷酸化，并通过多聚泛素Ubi4和Cul4-Ddb1 E3泛素连接酶介导Pir1降解。这一通路保证细胞在营养丰富的环境中抑制配子发生基因的广泛且不合时宜的表达，维持细胞增殖；在营养缺陷环境下，激活配子发生基因诱导细胞有性分化（如下图）。因此 这项研究解决了生物学中的一个重要问题，即如何通过环境和发育信号触发基因表达重编程并调控真核细胞的增殖和分化。

TORC1参与多种细胞过程，研究者的分析显示RNA清除/兼性异染色质组装是TORC1介导的细胞增殖调控的重要手段。一个有趣的发现是，在营养环境恶劣的条件下，在Pir1中引入单个氨基酸突变模拟TORC1的磷酸化（Pir1-S285D）足以支持细胞增殖。由于mTOR在癌细胞中经常被激活，因此我们的发现对理解mTOR信号通路如何导致肿瘤恶性增殖具有重要意义。在这方面，研究者注意到用mTOR抑制剂治疗包括前列腺癌和肾癌在内的癌症时，ZFC3H1的表达水平与患者的存活率呈负相关。

在本文的第二部分，研究者利用减数分裂同步化系统发现TORC1动态调控RNA清除机制，在配子发生过程中擦除兼性异染色质并协调发育基因表达。在减数分裂的早期，TORC1活性下调会导致Pir1的去磷酸化和降解，这一过程促进了Regulon基因的表达，并介导减数分裂DNA双链断裂形成（Meiotic double strand break formation），同源重组（Homologues recombination）和同源染色体分离（Reductional chromosome segregation）。当上述过程完成后，TORC1活性恢复并稳定Pir1，重新介导Regulon基因沉默。这一机制使Regulon基因的表达限制在特定的窗口中（请参见下图），因为Regulon基因产物全部都负责介导同源染色体分离，在 pir1∆ 和 red1∆突变体中，Regulon基因的错误表达会影响第二次减数分裂-姊妹染色单体分离（Equational chromosome segregation）。这部分研究揭示，TORC1动态调控Pir1对于确保精确的减数分裂染色体分离，保证后代基因组完整性至关重要，并且是诱导许多遗传性人类疾病的核心因素。

TOR介导的RNA清除机制有助于阐明新陈代谢与生殖潜能之间的联系，比如在哺乳动物的精子及卵子发生过程中，代谢异常通过影响RNA清除因子活性导致减数分裂的染色体分离缺陷，并进而影响生殖功能【8,9】。最后，这项工作可能有助于阐明哺乳动物发育过程中的表观遗传重编程机制，例如擦除原始生殖细胞（Primordial germ cells）中的表观遗传标记【10】。研究人员表示，未来将着眼于TOR是否通过RNA清除因子重新编程表观遗传环境，调控细胞分化发育和诱发癌症。

原文链接

https://www.nature.com/articles/s41556-021-00631-y

专家点评

何向伟教授 (浙江大学生命科学学院)

揭示信号传导和基因表达之间的缺失环节—TOR通路如何调控异染色质组装和RNA清除

众所周知，胞外环境变化由信号通路传导到胞内。我们也熟知，细胞相应地通过染色质修饰和RNA 加工调控基因以及转录因子表达重编程，以应对不同生理条件或发育阶段的变化。但是，信号通路如何控制染色质修饰和RNA 加工的分子机制仍然未知。在单细胞模式生物裂殖酵母S.pombe中的一项研究，回答了这个重要的问题，并为在其他物种中探索相关问题指明了方向。这项工作是以裂殖酵母为模型的表观遗传学领域的又一重要成果。这项工作是由美国国立卫生研究院，癌症研究中心Shiv Grewal实验室的魏祎博士和Nathan Lee博士完成。通讯作者Shiv Grewal博士是染色质和表观遗传调控领域的领军人物之一。

尽管与多细胞生物相比，单细胞酵母简单很多，但酵母仍具有敏锐感知外部环境变化的能力，并调整生理状态以适应不同环境。具体来说，当营养丰富时，裂殖酵母细胞进行有丝分裂快速增殖；当营养缺失（饥饿状态）时，酵母细胞停止生长，转而进行有性生殖并通过减数分裂产生配子（孢子）。在分子水平上，数百个减数分裂/配子发生特异基因随环境变化开始表达，而这些基因在细胞营养生长时通过兼性异染色质组装或RNA清除而被沉默。由于这些基因沉默机制在进化上高度保守，并且单细胞模式生物特有的易操作性，裂殖酵母因此是寻找信号传导与基因表达调控间未知环节的绝佳工具。

作者们发现，明星分子TOR感应胞外营养水平并传递饥饿信号，通过调控MTREC复合体介导兼性异染色质组装和RNA清除，控制减数分裂/配子发生过程中的众多靶基因表达，为我们描绘了外部环境变化如何调控裂殖酵母内部基因表达的基本完整图景：

在营养生长过程中，大量配子发生基因实际上会发生转录，但是Mmi1-Erh1复合体识别并结合到转录产物mRNA上的DSR结构域（Determinant of selective removal element），并进一步招募MTREC-Pir1蛋白复合物，并由MTREC复合体募集exosome对靶RNA降解。在此阶段， TOR激酶Tor2 （而不是Tor1）磷酸化并保持Pir1蛋白稳定以保证RNA清除体系的活性。

在饥饿环境时，酵母细胞停止营养生长。 Tor2激酶失活导致Pir1去磷酸化，并诱导ubi4 （多泛素编码基因）激活泛素-蛋白酶体降解系统，从而使Pir1被高效降解。 Pir1的降解导致配子发生基因转录产物mRNA不能通过MTREC复合体被靶向exosome，从而使基因表达水平升高。

除了通过exosome清除RNA外，MTREC-Pir1还在某些染色质区域介导兼性异染色质组装，从而使位于该区域的配子发生基因在营养生长中不被转录。饥饿环境促使Pir1蛋白降解，也导致兼性异染色质解聚，并激活这些配子发生基因。

因此， MTREC-Pir1复合体就是连接 TOR信号传导与配子发生基因表达的环节。令人惊讶的是，仅仅通过单点突变（Pir1-S285D）模拟Tor2磷酸化，就足以在Tor2失活时维持Pir1蛋白稳定性; 而且，单一Pir1-S285D突变体的表达，足以克服外部恶劣环境（低营养和低温环境）对野生型细胞生长的抑制，使细胞能在恶劣条件下增殖。此外，在正常减数分裂过程中，Pir1蛋白水平也通过Tor2活性被调控并呈现波动性表达，在减数分裂的早期Tor2失活，Pir1被降解清除，在减数分裂的中后期，Tor2活性恢复，Pir1水平也相应被恢复。一旦Pir1蛋白丰度的动态变化因Pir1-S285D突变被破坏，减数分裂的进程，尤其是早期配子发生基因的表达和DNA双链断裂的发生，同源染色体重组，以及中后期的染色体分离都发生重大缺陷。这些实验结果，彰显了Pir1在Tor2激酶诸多底物的重要地位，在调控细胞增殖和有性分化过程中发挥显著的功能。

这些在裂殖酵母中的发现不仅建立了环境信号传导调控基因表达的模式，同时由于相应功能蛋白在进化上的保守性以及和肿瘤诱发的相关性，这项研究同样对指导临床治疗提供了新思路。如TOR的抑制剂Rapamycin和多种Rapamycin类似物已被用于治疗肾细胞癌、前列腺癌、晚期乳腺癌等多种癌症，临床研究发现人体内Pir1同源基因ZFC3H1的表达水平与病人预后存活率直接相关，因此这项工作对于指导病患用药有重要参考价值。同时值得一提的是，在细胞增殖过程中，配子发生基因的异常表达，会造成染色体分离缺陷并最终诱发细胞癌变，这提示了RNA清除复合体在抑癌方面的重要性。

最后，文章的叙述也非常引人入胜，抽丝剥茧，环环相扣，故事性很强。对研究生读者中幸运地轮到新年首发做Journal Club讨论的，我强烈推荐这篇文章。 It is a classic, a nd fun!

本文作者魏祎博士曾在2017年，Molecular cell上以第一作者发表Featured Article：“SUMO-Targeted DNA Translocase Rrp2 Protects the Genome from Top2-Induced DNA Damage”，目前正在积极寻找职位，有意者请联系weiyinibs@gmail.com

制版人：琪酱

向上滑动阅览参考文献

1. Perrimon, N., C. Pitsouli, and B.Z. Shilo, Signaling mechanisms controlling cell fate and embryonic patterning. Cold Spring Harb Perspect Biol, 2012. 4(8): p. a005975.

2. Saxton, R.A. and D.M. Sabatini, mTOR Signaling in Growth, Metabolism, and Disease. Cell, 2017. 168(6): p. 960-976.

3. Nicetto, D. and K.S. Zaret, Role of H3K9me3 heterochromatin in cell identity establishment and maintenance. Curr Opin Genet Dev, 2019. 55: p. 1-10.

4. Kilchert, C., S. Wittmann, and L. Vasiljeva, The regulation and functions of the nuclear RNA exosome complex. Nat Rev Mol Cell Biol, 2016. 17(4): p. 227-39.

5. Schmid, M. and T.H. Jensen, Controlling nuclear RNA levels. Nat Rev Genet, 2018. 19(8): p. 518-529.

6. Zofall, M., et al., RNA elimination machinery targeting meiotic mRNAs promotes facultative heterochromatin formation. Science, 2012. 335(6064): p. 96-100.

7. Lee, N.N., et al., Mtr4-like protein coordinates nuclear RNA processing for heterochromatin assembly and for telomere maintenance. Cell, 2013. 155(5): p. 1061-74.

8. Herbert, M., et al., Meiosis and maternal aging: insights from aneuploid oocytes and trisomy births. Cold Spring Harb Perspect Biol, 2015. 7(4): p. a017970.

9. Jesus, T.T., et al., Mammalian target of rapamycin (mTOR): a central regulator of male fertility? Crit Rev Biochem Mol Biol, 2017. 52(3): p. 235-253.

10. Saitou, M. and H. Miyauchi, Gametogenesis from Pluripotent Stem Cells. Cell Stem Cell, 2016. 18(6): p. 721-735.