哺乳動(dòng)物細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄調(diào)控是迄今發(fā)現(xiàn)的最復(fù)雜的調(diào)控系統(tǒng)之一，對基因的選擇性表達(dá)和細(xì)胞分化等過程起主要控制作用。細(xì)胞在熱休克應(yīng)答中快速改變基因表達(dá)以應(yīng)對熱損傷，然而，基于經(jīng)典蛋白質(zhì)-DNA相互作用的模型并不能充分解釋由急性應(yīng)激觸發(fā)的顯著轉(zhuǎn)錄激活，HSF1快速并可逆地調(diào)節(jié)熱休克基因轉(zhuǎn)錄的分子機(jī)制仍未知。

2022年3月7日，膜生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心（BIOPIC）、北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院國家生物醫(yī)學(xué)成像科學(xué)中心孫育杰課題組在Nature Cell Biology雜志上在線發(fā)表了最新研究成果，論文題目為“Reversible phase separation of HSF1 is required for an acute transcriptional response during heat shock”。作者綜合使用超分辨顯微成像、體外重構(gòu)和多組學(xué)等技術(shù)，建立了一個(gè)精細(xì)調(diào)節(jié)HSF1相分離的模型來探索熱休克條件下轉(zhuǎn)錄激活的分子機(jī)制。

熱休克會誘導(dǎo)細(xì)胞核內(nèi)應(yīng)激顆粒/小體（nuclear stress body，nSB）的產(chǎn)生，它們通常被視為熱休克反應(yīng)的指標(biāo)。然而，研究表明，不同于酵母細(xì)胞中HSF1應(yīng)激顆粒存在于伴侶基因位點(diǎn)，在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中的HSF1 nSB與HSP基因并不共定位¹。相反，這些巨大的nSB在熱休克期間驅(qū)動(dòng)一類長的非編碼RNA（衛(wèi)星III轉(zhuǎn)錄本）的產(chǎn)生，這同時(shí)阻隔了轉(zhuǎn)錄機(jī)器，進(jìn)而誘導(dǎo)全局轉(zhuǎn)錄抑制²。此外，嚙齒動(dòng)物細(xì)胞在熱休克反應(yīng)中并不形成nSB，但仍然可以激活HSP的表達(dá)響應(yīng)熱休克³。這些都表明廣泛研究的HSF1 nSB不太可能是熱休克期間發(fā)生的HSP基因劇烈轉(zhuǎn)錄激活的主要驅(qū)動(dòng)因素。因此在nSB對HSP基因轉(zhuǎn)錄抑制存在的情況下，HSF1如何快速激活HSP的轉(zhuǎn)錄亟待研究。作者利用隨機(jī)光學(xué)重建超分辨顯微（STORM）技術(shù)量化了HSF1分子的空間分布。結(jié)果表明，在熱休克條件下，HSF1分子在細(xì)胞核中同時(shí)形成nSB和小的凝聚體（直徑~300 nm），不同于與HSP基因無重疊的nSB，這些HSF1小的凝聚體常與HSP基因位點(diǎn)共定位。

基于熱休克期間HSF1的翻譯后修飾（PTM）調(diào)控其轉(zhuǎn)錄活性的報(bào)道，作者通過構(gòu)建一系列突變體和體外磷酸化HSF1，闡明了特定位點(diǎn)的PTM驅(qū)動(dòng)HSF1相分離。為了進(jìn)一步探究HSF1相分離對轉(zhuǎn)錄調(diào)控的影響，作者使用雙色超分辨成像發(fā)現(xiàn)HSF1招募轉(zhuǎn)錄機(jī)器共相分離，形成轉(zhuǎn)錄活躍中心。同時(shí)，使用Cut&Tag和高通量測序研究了HSF1液-液相分離對其靶向染色質(zhì)的影響，繪制了不同條件下HSF1的全基因組結(jié)合圖譜。結(jié)果顯示，相分離可以顯著促進(jìn)HSF1靶向染色質(zhì)，而相分離缺陷的突變體結(jié)合染色質(zhì)效率顯著降低。最后，RNA測序與qPCR實(shí)驗(yàn)結(jié)果共同支持HSF1的相分離在激活分子伴侶基因表達(dá)中的關(guān)鍵作用。HSF1不僅在急性應(yīng)激期間誘導(dǎo)分子伴侶表達(dá)，還在病理狀態(tài)下廣泛調(diào)節(jié)其他基因的表達(dá)，例如腫瘤和神經(jīng)退行性疾病⁴。有趣的是，作者發(fā)現(xiàn)腫瘤中激活狀態(tài)的HSF1不能發(fā)生相分離。而熱激過程中處于相分離狀態(tài)的HSF1不能激活腫瘤中HSF1的靶基因，表明細(xì)胞在急性應(yīng)激和慢性過程中通過不同的機(jī)制激活靶基因的表達(dá)。近幾年的研究逐步確立了相分離是激活基因表達(dá)的一種有效機(jī)制，但對于該進(jìn)程如何適時(shí)終止尚缺乏研究。作者發(fā)現(xiàn)HSF1靶向激活表達(dá)的分子伴侶HSP70可以負(fù)向調(diào)控HSF1相分離，表現(xiàn)為HSP70能減弱HSF1的液-液相分離，甚至可以阻止HSF1在延長的熱休克過程中發(fā)生的液固相轉(zhuǎn)變，揭示了一個(gè)相分離調(diào)控基因表達(dá)的反饋機(jī)制。

綜合以上結(jié)果，該研究圍繞HSF1的可誘導(dǎo)和可逆相分離闡明了在熱休克過程中轉(zhuǎn)錄調(diào)控的分子機(jī)制。該機(jī)制揭示了HSF1活性的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程，即在急性應(yīng)激期間有效驅(qū)動(dòng)HSPs基因轉(zhuǎn)錄并在熱休克停止后適時(shí)終止轉(zhuǎn)錄，維持細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)。

北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士研究生張宏晨和北京安貞醫(yī)院助理研究員邵世鵬博士為文章第一作者，邵世鵬和孫育杰教授為本文通訊作者。北京安貞醫(yī)院曾勇教授，北京大學(xué)博士研究生王嘯天、覃藝芝，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)項(xiàng)晟祺教授、博士研究生任秋楠，北京大學(xué)肖俊宇教授、王禹心博士等對本文作出了重要貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

1 Cotto, J., Fox, S. & Morimoto, R. HSF1 granules: a novel stress-induced nuclear compartment of human cells. J Cell Sci110, 2925-2934, doi:10.1242/jcs.110.23.2925 (1997).

2 Goenka, A. et al. Human satellite-III non-coding RNAs modulate heat-shock-induced transcriptional repression. J Cell Sci129, 3541-3552, doi:10.1242/jcs.189803 (2016).

3 Denegri, M. et al. Human chromosomes 9, 12, and 15 contain the nucleation sites of stress-induced nuclear bodies. Mol Biol Cell13, 2069-2079, doi:10.1091/mbc.01-12-0569 (2002).

4 Gomez-Pastor, R., Burchfiel, E. T. & Thiele, D. J. Regulation of heat shock transcription factors and their roles in physiology and disease. Nat Rev Mol Cell Biol19, 4-19, doi:10.1038/nrm.2017.73 (2018).

來源：北京大學(xué)