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《三篇Science揭示相分离与基因转录存在密切关联》

  • 来源专题：生物安全知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者： hujm
  • 发布时间：2018-07-30

  • DNA结合转录因子（TF）是真核基因表达的典型调节因子。针对转录因子的早期研究揭示出它们的结构良好的DNA结合结构域（DNA binding domain, DBD）并鉴定出转录所需的功能上至关重要的激活结构域（activation domain, AD）。后来很明显的是，许多激活结构域包含着固有无序化的低复杂度序列结构域（low-complexity sequence domain, LCD），但LCD如何激活转录仍然是不清楚的。尽管已知LCD的转录激活需要与结合伴侣（binding partner）选择性地相互作用，但直接测量体内的选择性LCD-LCD识别并揭示其作用机制一直充满着挑战。

    传统的生物化学重建和遗传学研究已鉴定出很多在转录调控中起着至关重要的分子参与者。然而，弱的动态的蛋白-蛋白相互作用促进活细胞中的基因激活的机制一直是未知的。活细胞单分子成像取得的进展为研究体内转录开辟了新的前沿。

    在一项新的研究中，Shasha Chong等人使用合成Lac操纵子（Lac operator, LacO）阵列和内源性GGAA微卫星位点来研究活细胞内的诸如EWS/FLI1、TAF15和Sp1之类的转录因子中的LCD-LCD相互作用。为了探测转录因子中的 LCD在靶基因组位点上的动态行为，这些研究人员将CRISPR-Cas9基因组编辑、诱导突变、基因激活、细胞转化分析和包括荧光相关光谱、光漂白后荧光恢复技术、晶格光片照明显微镜、三维DNA荧光原位杂交和活细胞单粒子追踪在内的各种高分辨率成像方法组合在一起。

    活细胞单分子成像结果显示转录因子中的多个LCD之间存在的相互作用，从而在合成DNA阵列和内源性基因组位点上形成局部的高聚集中心（high-concentration hub）。转录因子LCD高聚集中心让DNA结合保持稳定、招募RNA聚合酶II（RNA Pol II）并激活转录。高聚集中心中的LCD-LCD相互作用是高度动态的（几秒到几分钟），对结合伴侣具有选择性，对己二醇破坏的敏感性具有较大的差别。这些发现表明在生理条件下，在转录因子和RNA Pol II复合物之间发生快速的可逆的和选择性的多价LCD-LCD相互作用，从而激活转录。这些研究人员观察到在广泛的核内转录因子浓度下形成功能性的转录因子LCD高聚集中心。虽然他们检测到明显的液-液相分离和过度的LCD表达，但在没有可检测到的相分离的情况下，在内源性染色体位点上，在转录因子的生理水平下，就可观察到具有转录能力的转录因子 LCD高聚集中心。此外，尤文氏肉瘤细胞中的诱导突变、基因表达和细胞转化测定揭示了LCD-LCD相互作用、反式激活能力和致癌潜力之间的功能关联性。

    在活细胞中使用各种成像方法为体外研究提供了强有力的补充，并对LCD相互作用的性质及其在基因调控中的作用提供新的认识。这些研究人员提出反式激活结构域通过动态变化的多价的特异性的LCD-LCD相互作用形成局部的高聚集中心而发挥作用。转录因子之间发生的较弱的动态的瞬时接触似乎也可能在基因表达的致病性调节异常（即尤文氏肉瘤中的EWS/FLI1）中起作用，这提示着LCD-LCD相互作用可能代表一类新的可行性药物靶标。虽然他们研究了转录因子中的一小部分LCD，但是发现的关于导致LCD-LCD相互作用的动态变化和机制的原理可能适用于其他种类的蛋白和在许多细胞类型中发生的生物分子相互作用。

    超级增强子（super-enhancer, SE）是一类协同性地组装高度密集的转录装置（transcriptional apparatus, 也译作转录复合物）从而促进在细胞身份中起着突出作用的基因稳健表达的增强子。在另一项新的研究中，Benjamin R. Sabari等人证实超级增强子富集的转录辅激活因子BRD4和MED1在表现出液体状凝集物性质而且会被干扰凝集物的化学物破坏的超级增强子上形成核斑点（nuclear puncta）。BRD4和MED1的固有无序区域（intrinsically disordered region, IDR）能够形成相分离的液滴，并且MED1-IDR液滴能够让转录装置区室化并且在核提取物中让转录装置聚集。这些结果支持这样的观点，即转录辅激活因子在超级增强子上形成相分离的凝集物，从而让转录装置区室化和聚集，这提示着转录辅激活因子IDR在这个过程中发挥作用，并提供对涉及控制关键的细胞身份基因的机制提供新的认识。

    在第三项新的研究中，Won-Ki Cho等人利用活细胞超分辨率和光片显微镜，研究了转录中介辅激活因子（Mediator coactivator）和RNA聚合酶II的结构和动态变化。转录中介辅激活因子和RNA聚合酶II各自在活的胚胎干细胞中形成小的瞬时的聚集物和较大的稳定的聚集物，这些聚集物可与染色质结合，具有相分离的聚集物的性质，并且对转录抑制剂是敏感的。他们提出在大的或聚集的增强子元件上由转录因子招募的较大的转录中介辅激活因子聚合物在体内的转录凝集物中与较大的RNA聚合酶II聚集物相互作用。

  • 原文来源：http://news.bioon.com/article/6725335.html
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  • 《研究揭示转录因子通过相分离驱使神经元终末分化的新机制》
    • 来源专题：生物安全知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：hujm
    • 发布时间：2020-01-10
    • Developmental Cell杂志在线发表了北京大学生命科学学院宋艳研究组题为“Mitotic implantation of the transcription factor Prospero via phase separation drives terminal neuronal differentiation”的研究论文。该文揭示了果蝇发育过程中，一个转录因子通过液-液相分离“植入”神经前体细胞有丝分裂期染色体，通过促进H3K9me3+异染色质凝聚确保神经元终末分化的新现象和新机制。 当细胞进入有丝分裂期，由于染色质凝缩形成高度致密的染色体，绝大多数基因转录的关键调控元件（包括转录因子）会从染色体上脱离。在这项工作中，研究者通过免疫荧光染色和荧光显微动态成像意外地发现转录因子Prospero（Pros）可以形成小的聚集体 （foci）并滞留在果蝇神经前体细胞有丝分裂期染色体（图1）。Pros是在进化上高度保守的同源域 （homeobox）转录因子，与其在哺乳动物中的同源基因Prox1一同在促进细胞终末分化过程中起着关键性的作用。那么，Pros为什么可以保留在结构致密的染色体上？这一转录因子的染色体植入（mitotic implantation）现象又有什么样的生理学功能？通过精细的果蝇完整脑荧光动态成像、完整脑光漂白恢复、光液滴（optoDroplet）、体外相分离等多种技术手段，研究者观察到了令人惊讶的结果，即Pros蛋白是通过液-液相分离植入并保留在神经前体细胞H3K9me3标记的近着丝粒异染色质区（图1）。当神经前体细胞进入有丝分裂末期，保留在异染色质区的Pros蛋白招募并浓缩H3K9me3阅读器 HP1a成为相分离的凝聚体 （condensates），并促进其转变为低流动性的近凝胶状态，从而驱使新生成的神经元中H3K9me3+异染色质区域的凝缩和扩展（图2）。 研究者进一步的DamID-seq、DNA FISH和动态成像实验结果表明，当神经前体细胞分裂产生两个神经元时，Pros从H3K9me3标记的异染色质区域解离下来，同时携带一部分HP1a到其关键目的基因（促进干细胞自我复制和推动细胞周期的重要基因），继而通过HP1a介导这些基因所在染色质区域发生局部凝缩，关闭这些基因的表达。另外，这些发生染色质局部凝缩的Pros目的基因位点可能通过HP1a介导的液滴融合与神经元中富含HP1a的异染色质区靠近，从而进一步促使这些关键基因的永久沉默，确保神经元的终末分化。 值得一提的是，Prox1可能也采用“染色体植入驱使异染色质凝缩”这一策略来确保神经元的终末分化。另外，研究者发现Pros蛋白还可以形成聚集体保留在果蝇肠道前体细胞的分裂期染色体上。因此，这项研究所揭示的新现象和新机理可能代表了转录因子通过染色体植入驱使异染色质凝缩和细胞终末分化的普适规律。 液-液相分离作为细胞内的一种自组织方式，为我们理解许多生物学现象提供了崭新的视角。然而，在生理条件下相分离是否真正参与调控重要的生物学过程还有待更确凿有力的证据 [7，8]。通过将Pros蛋白中介导相分离的关键位点进行点突变或删截，该工作的研究者在不影响内源表达量、入核能力及转录活性的基础上构建了特异缺失相分离能力的Pros突变体。相分离能力的特异缺失使得Pros无法保留在染色体上，相应也失去了其调节异染色质凝缩及促进神经元终末分化的功能。更为重要的是，通过与已知驱动相分离的内在无序区域（IDR）融合来恢复Pros的相分离能力，Pros的染色体滞留及其促进异染色质凝缩和神经元分化的能力可以被有效恢复。因此，通过特异的突变与回补实验和严谨的定量分析，这项研究首次建立了转录因子的液-液相变与生理条件下一系列重要生物学事件之间的因果关系，为相分离在动物发育过程中的重要生理学意义提控了强有力的证据。研究者推测其它滞留染色体的转录因子可能采用类似的液-液相分离的策略来实现其染色体滞留，并通过重塑染色质三维结构来调控细胞命运决定过程。 综上所述，这项研究出乎意料的结果揭示了转录因子通过其生物物理特性的变化引起异染色质结构重塑，进而驱动细胞终末分化的新机制，为进一步探索细胞分化过程中异染色质的动态变化和调控机理提供了新视角和新思路。
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  • 《多篇Nature和Science论文揭示古人也感染上乙肝病毒》
    • 来源专题：生物安全知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：hujm
    • 发布时间：2018-05-11
    • 乙型肝炎病毒（HBV, 也译作乙肝病毒）感染人类的肝脏，并导致人体患上乙型肝炎（即乙肝）。目前全球有2.5多亿人感染上HBV。尽管每年有数十万HBV感染者死于HBV相关的并发症（如肝硬化和肝癌），但是这种病毒的起源仍未得到很好地理解。在一项新的研究[1]中，来自英国、丹麦、德国、哈萨克斯坦、美国、蒙古、吉尔吉斯斯坦、捷克、俄罗斯、瑞典、匈牙利、法国和荷兰的研究人员在存在了200～4500年的欧亚人遗骸（Eurasian remains）的人基因组中发现HBV存在的证据，这提示着人类与这种病毒共存了数千年。相关研究结果于2018年4月9日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Ancient hepatitis B viruses from the Bronze Age to the Medieval period”。 澳大利亚多尔蒂研究所维多利亚传染病参考实验室高级医学科学家Margaret Littlejohn（未参与这项研究）告诉《科学家》杂志，在这项研究之前，“在乙型肝炎领域，我们总是认为HBV是人类的一种古老的病原体，但是迄今为止还没有证据表明这种病毒存在了400多年。这项研究对这个领域来说无疑是一次伟大的飞跃。” 这项研究始于英国剑桥大学和丹麦哥本哈根大学进化遗传学家Eske Willerslev和同事们设计的旨在理解横跨欧洲和亚洲8000公里的人口历史的实验。这些研究人员对200多个古代人---这些古代人的遗骸已存在了500～11000年---的基因组进行了测序。 Willerslev说，“我们通过鸟枪测序法对这些基因组进行测序，而且我们获得的绝大部分DNA实际上并不是人类的。起初，这并不是我们所关注的目标。它仅是废物，但是如今我们开始研究这种废物是否可能存在病原体。”在意识到“废物”DNA可能有助深入了解HBV的起源之后，他们分析了这些基因组中的137个来寻找HBV存在的证据，与此同时还分析了2015年在Nature期刊上发表的已被测序的其他古代人类的167个基因组[2]。 Willerslev和同事们在欧亚大陆发现的12个800～4500年前的古代人基因组中鉴定出12个HBV基因组。他们发现如今在非洲和亚洲常见的HBV型别在几千年前就已存在于这个地区。他们还证实三个古老的HBV基因组与现代的大猩猩和黑猩猩HBV存在着最为密切的亲缘关系。 维多利亚传染病参考实验室高级医学科学家Lilly Yuen（未参与这项研究）说，“当人们开始试图推测HBV存在了多少年时，早期的数据表明HBV很可能存在了几百年到几千年。”但是其他的科学家们已在古代鸟类基因组中发现了禽类HBV，这提示着它可能存在了数百万年。 Willerslev测序的HBV基因组包含重组和谱系灭绝的证据，这提示着HBV肯定存在了4500多年---这是因为这种病毒需要时间来经历这些进化变化。所有的这些研究发现都表明存在一种更为古老的HBV起源。 德国马克斯普朗克人类历史科学研究所进化遗传学家Johannes Krause（未参与这项研究）说道，“我们对我们实际上能够将HBV起源追溯到这么远感到非常兴奋。在2018年5月6日，Krause和同事们在预印本在线期刊 BioRxiv上发表了一篇论文[3]，描述了在人类牙齿样品中发现的三个古老的HBV基因组，其中的一个HBV基因组大约存在了7000年。 Krause说，根据他自己的研究和Willerslev团队的研究，目前仍不清楚HBV到底存在了多少年。他补充道，“它可能更加古老。它甚至可能来自非洲，这将会解释着为何黑猩猩和大猩猩一起都携带着最为古老的HBV基因组。这可能是一种解释，但是我们也在六千万年前分隔开的新大陆猴（new world monkey）和旧大陆猴（old world monkey）中发现它，因此它不太可能是那么古老。这里有很多疑问需要人们去解答。” 第一篇论文共同第一作者、剑桥大学研究生Barbara Mühlemann告诉《科学家》杂志，探究人类与病毒共存的历史的下一步就是更加深入地研究古老HBV的序列来观察这些古老序列中的变异是否揭示了这种病毒在未来可能发生的变化。 2018年5月9日在Sciece期刊上在线发表的一项相关研究[4]中，Willerslev和同事们利用古代基因组追踪马驯化对古代人类在欧亚大陆活动的影响。他们的分析揭示出人类地理迁移与利用马来拉战车和骑马时手持弓箭紧密相关联。 从过去的研究来看，Willerslev团队确定大约五千年前中欧人迁移到欧亚大陆，但是如今居住在中亚和西亚的人主要是亚洲人种。在2018年5月9日在线发表在Nature期刊上的第二项研究[5]中，Willerslev团队利用基因组分析证实随着逐渐地向西扩张，亚洲人种完成了对中欧人种的替换。
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