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

2022年3月7日，膜生物學國家重點實驗室、北京大學生物醫(yī)學前沿創(chuàng)新中心（BIOPIC）、北京大學未來技術學院國家生物醫(yī)學成像科學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、體外重構和多組學等技術，建立了一個精細調節(jié)HSF1相分離的模型來探索熱休克條件下轉錄激活的分子機制。

熱休克會誘導細胞核內應激顆粒/小體（nuclear stress body，nSB）的產(chǎn)生，它們通常被視為熱休克反應的指標。然而，研究表明，不同于酵母細胞中HSF1應激顆粒存在于伴侶基因位點，在哺乳動物細胞中的HSF1 nSB與HSP基因并不共定位¹。相反，這些巨大的nSB在熱休克期間驅動一類長的非編碼RNA（衛(wèi)星III轉錄本）的產(chǎn)生，這同時阻隔了轉錄機器，進而誘導全局轉錄抑制²。此外，嚙齒動物細胞在熱休克反應中并不形成nSB，但仍然可以激活HSP的表達響應熱休克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基因劇烈轉錄激活的主要驅動因素。因此在nSB對HSP基因轉錄抑制存在的情況下，HSF1如何快速激活HSP的轉錄亟待研究。作者利用隨機光學重建超分辨顯微（STORM）技術量化了HSF1分子的空間分布。結果表明，在熱休克條件下，HSF1分子在細胞核中同時形成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基因位點共定位。

基于熱休克期間HSF1的翻譯后修飾（PTM）調控其轉錄活性的報道，作者通過構建一系列突變體和體外磷酸化HSF1，闡明了特定位點的PTM驅動HSF1相分離。為了進一步探究HSF1相分離對轉錄調控的影響，作者使用雙色超分辨成像發(fā)現(xiàn)HSF1招募轉錄機器共相分離，形成轉錄活躍中心。同時，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的影響，繪制了不同條件下HSF1的全基因組結合圖譜。結果顯示，相分離可以顯著促進HSF1靶向染色質，而相分離缺陷的突變體結合染色質效率顯著降低。最后，RNA測序與qPCR實驗結果共同支持HSF1的相分離在激活分子伴侶基因表達中的關鍵作用。HSF1不僅在急性應激期間誘導分子伴侶表達，還在病理狀態(tài)下廣泛調節(jié)其他基因的表達，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，表明細胞在急性應激和慢性過程中通過不同的機制激活靶基因的表達。近幾年的研究逐步確立了相分離是激活基因表達的一種有效機制，但對于該進程如何適時終止尚缺乏研究。作者發(fā)現(xiàn)HSF1靶向激活表達的分子伴侶HSP70可以負向調控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)生的液固相轉變，揭示了一個相分離調控基因表達的反饋機制。

綜合以上結果，該研究圍繞HSF1的可誘導和可逆相分離闡明了在熱休克過程中轉錄調控的分子機制。該機制揭示了HSF1活性的動態(tài)調節(jié)過程，即在急性應激期間有效驅動HSPs基因轉錄并在熱休克停止后適時終止轉錄，維持細胞內蛋白質穩(wěn)態(tài)。

北京大學生命科學學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，北京大學博士研究生王嘯天、覃藝芝，中國科學技術大學項晟祺教授、博士研究生任秋楠，北京大學肖俊宇教授、王禹心博士等對本文作出了重要貢獻。

參考文獻：

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