清華大學(xué)藥學(xué)院李寅青團(tuán)隊(duì)與清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李丕龍團(tuán)隊(duì)合作揭示基因表達(dá)的“保溫杯”

導(dǎo)語

基因表達(dá)水平的精確調(diào)控對(duì)細(xì)胞的正常功能至關(guān)重要。細(xì)胞內(nèi)的基因表達(dá)可能是靜止的、劇烈的，或是柔和的。如果把基因的表達(dá)水平比作我們熟悉的水溫，那么靜止或劇烈的基因表達(dá)狀態(tài)就像冰水或沸水，而柔和的基因表達(dá)則更像是適宜的溫水。在干細(xì)胞中，約有30%的基因處于這種溫和的表達(dá)狀態(tài)，這些基因包含維持干細(xì)胞特性的關(guān)鍵基因。然而，這些基因的表達(dá)是如何得以“保溫”的，目前仍不十分清楚。

傳統(tǒng)上，人們認(rèn)為基因表達(dá)水平受到轉(zhuǎn)錄因子、轉(zhuǎn)錄輔助蛋白、染色質(zhì)的可及性以及RNA聚合酶II在啟動(dòng)子區(qū)域的聚集等多種因素的影響（1）。最新研究表明，轉(zhuǎn)錄相關(guān)蛋白通過相分離能形成轉(zhuǎn)錄凝聚體，這在轉(zhuǎn)錄調(diào)控中扮演重要角色（2）。然而，由于我們難以在基因組范圍內(nèi)精確定位和識(shí)別這些轉(zhuǎn)錄凝聚體，特別是對(duì)于在非超級(jí)增強(qiáng)子區(qū)域的轉(zhuǎn)錄調(diào)控，我們對(duì)這些凝聚體與轉(zhuǎn)錄調(diào)控之間的聯(lián)系知之甚少。

圖1. ACC-seq的設(shè)計(jì)原理

通過運(yùn)用ACC-Seq技術(shù)，研究者們在小鼠胚胎干細(xì)胞（mESC）中識(shí)別出了一組具有相分離能力的轉(zhuǎn)錄因子，這些轉(zhuǎn)錄因子被稱為雙效轉(zhuǎn)錄因子（dual-action TFs），其中包括ETV5等。值得注意的是，當(dāng)這些dual-action TFs發(fā)生相分離時(shí)，它們雖然與轉(zhuǎn)錄的核心組分RNA聚合酶II（Pol II）有一定的親和性，但與其他活化組分如MED1之間則可以表現(xiàn)出較低的親和性。深入的研究揭示，這種差異性的親和性使得dual-action TFs在調(diào)控基因表達(dá)上具有雙效的調(diào)控功能：在高表達(dá)基因處，它們起到抑制作用；而在沉默的基因區(qū)域，則能激活這些基因。

圖2. Dual-action TFs進(jìn)行雙效轉(zhuǎn)錄調(diào)控

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，這些dual-action TFs與傳統(tǒng)的通過招募不同輔助因子實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄調(diào)控的bifunctional TFs有所不同，也與常見的激活或抑制因子有所區(qū)別。此外，研究人員還確認(rèn)這些dual-action TFs并不是通過介導(dǎo)如H3K9me3等表觀遺傳修飾來調(diào)控轉(zhuǎn)錄的。

過去的研究曾提出，凝聚體可以作為一種機(jī)制來緩沖其組份濃度的波動(dòng)（3）。基于這一理論，研究團(tuán)隊(duì)推測dual-action TFs可能通過形成轉(zhuǎn)錄凝聚體減少轉(zhuǎn)錄過程中的波動(dòng)。研究團(tuán)隊(duì)使用報(bào)告基因系統(tǒng)深入探究了dual-action TFs的轉(zhuǎn)錄調(diào)控特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與對(duì)照組相比，dual-action TFs能夠顯著穩(wěn)定轉(zhuǎn)錄水平。

然后，研究者進(jìn)一步確認(rèn)dual-action TFs的雙效轉(zhuǎn)錄功能與其相分離能力密切相關(guān)。破壞它們的無序區(qū)序列（IDR）會(huì)導(dǎo)致它們在凝聚體中與MED1的親和性改變，并失去雙效轉(zhuǎn)錄調(diào)控能力。而將dual-action TFs與親水的MBP肽段融合，使這些蛋白的相分離能力受到干擾，雙效轉(zhuǎn)錄調(diào)控功能也會(huì)受到顯著影響。研究者還發(fā)現(xiàn)，與疾病相關(guān)聯(lián)的某些突變可以改變dual-action TF在凝聚體中的親和性，并擾亂其雙效轉(zhuǎn)錄調(diào)控能力。

最后，研究還表明，當(dāng)這些dual-action TFs在小鼠胚胎干細(xì)胞中被敲低后，干細(xì)胞脫離干性狀態(tài)。相反，當(dāng)過表達(dá)這些dual-action TFs時(shí)，干細(xì)胞狀態(tài)維持相關(guān)基因的表達(dá)水平略有上升，從而進(jìn)一步證實(shí)了dual-action TFs在小鼠胚胎干細(xì)胞功能維持中的關(guān)鍵作用。

圖3.Dual-action TFs功能的總結(jié)

綜合上述發(fā)現(xiàn)，這項(xiàng)研究揭示了一類具有相分離能力的dual-action TFs，它們通過選擇性地招募轉(zhuǎn)錄核心組件，實(shí)現(xiàn)其獨(dú)特的雙效轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)功能。這些發(fā)現(xiàn)不僅為探索相分離現(xiàn)象與轉(zhuǎn)錄調(diào)控之間的聯(lián)系提供了新的理解，也為中等水平的基因表達(dá)及其維持機(jī)制提出了新的見解。

致謝、招募

清華大學(xué)李寅青研究員和李丕龍研究員為共同通訊作者。博士生何金男（清華大學(xué)）、霍香如博士（清華大學(xué)訪問學(xué)生，復(fù)旦大學(xué)博士生）、裴高峰博士（清華大學(xué)）以及博士生賈澤然（清華大學(xué)）為共同第一作者。此外，該研究還得到了清華大學(xué)丁勝教授、德州大學(xué)達(dá)拉斯分校Micheal Q. Zhang教授團(tuán)隊(duì)、北京大學(xué)李婷婷研究員的重要幫助。同時(shí)感謝復(fù)旦大學(xué)藍(lán)斐研究員、徐彥輝研究員，以及生物物理所朱冰研究員提供的寶貴建議。該項(xiàng)目受到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金、清華北大生命聯(lián)合中心、清華IDG麥戈文腦研究中心、北京生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心、清華大學(xué)自主科研計(jì)劃的資助。
   李寅青實(shí)驗(yàn)室歡迎訪問學(xué)生、學(xué)者，開展為期1～2年的交叉學(xué)科交流研究。網(wǎng)頁：http://sx3g.cn/info/1011/1424.htm；聯(lián)系方式：yinqingl@csail.mit.edu

參考文獻(xiàn)