生命科學學院宋豔研究組揭示轉錄因子通過相分離驅使神經元終末...

由抑制性組蛋白修飾H3K9me3所標記的異染色質在細胞分化過程中變得高度凝聚，其區域顯著擴展 [1,2]，形成防止已分化細胞命運逆轉的重要壁壘。與此相對應，H3K9me3⁺異染色質區域的解壓縮可以極大提高細胞重編程的效率 [3,4]。過去的研究表明，H3K9me3⁺異染色質的形成取決於H3K9me3的「閱讀器」異染色質蛋白1（HP1）和H3K9me3的「寫入器」H3K9甲基轉移酶SUV39H1的協同作用 [5,6]。然而，在生理條件下細胞分化過程中H3K9me3⁺異染色質凝縮、擴展的分子調控機理還尚不明晰。在終末分化的細胞中，異染色質如何調控特定基因的永久沉默更是未解之謎。

魚戲水草圖（繪畫：葉芷）

當一群小黑魚（轉錄因子 Pros）組成一條大魚，才可以張大嘴巴「咬住「粗壯的水草（染色體）。小黑魚還與小紅魚（異染色質蛋白 HP1）協作，使得纖細的水草（染色質）變得凝縮緻密。

2019年12月19日，Developmental Cell雜誌在線發表了北京大學生命科學學院宋豔研究組題為「Mitotic implantation of the transcription factor Prospero via phase separation drives terminal neuronal differentiation」的研究論文。該文揭示了果蠅發育過程中，一個轉錄因子通過液-液相分離「植入」神經前體細胞有絲分裂期染色體，通過促進H3K9me3⁺異染色質凝聚確保神經元終末分化的新現象和新機制。

圖1.轉錄因子Pros通過液-液相分離植入神經前體細胞染色體

當細胞進入有絲分裂期，由於染色質凝縮形成高度緻密的染色體，絕大多數基因轉錄的關鍵調控元件（包括轉錄因子）會從染色體上脫離。在這項工作中，研究者通過免疫螢光染色和螢光顯微動態成像意外地發現轉錄因子Prospero（Pros）可以形成小的聚集體 （foci）並滯留在果蠅神經前體細胞有絲分裂期染色體（圖1）。Pros是在進化上高度保守的同源域 （homeobox）轉錄因子，與其在哺乳動物中的同源基因Prox1一同在促進細胞終末分化過程中起著關鍵性的作用。那麼，Pros為什麼可以保留在結構緻密的染色體上？這一轉錄因子的染色體植入（mitotic implantation）現象又有什麼樣的生理學功能？通過精細的果蠅完整腦螢光動態成像、完整腦光漂白恢復、光液滴（optoDroplet）、體外相分離等多種技術手段，研究者觀察到了令人驚訝的結果，即Pros蛋白是通過液-液相分離植入並保留在神經前體細胞H3K9me3標記的近著絲粒異染色質區（圖1）。當神經前體細胞進入有絲分裂末期，保留在異染色質區的Pros蛋白招募並濃縮H3K9me3閱讀器 HP1a成為相分離的凝聚體 （condensates），並促進其轉變為低流動性的近凝膠狀態，從而驅使新生成的神經元中H3K9me3⁺異染色質區域的凝縮和擴展（圖2）。

圖2.轉錄因子Pros通過液-液相分離驅使神經元終末分化

研究者進一步的DamID-seq、DNA FISH和動態成像實驗結果表明，當神經前體細胞分裂產生兩個神經元時，Pros從H3K9me3標記的異染色質區域解離下來，同時攜帶一部分HP1a到其關鍵目的基因（促進幹細胞自我複製和推動細胞周期的重要基因），繼而通過HP1a介導這些基因所在染色質區域發生局部凝縮，關閉這些基因的表達。另外，這些發生染色質局部凝縮的Pros目的基因位點可能通過HP1a介導的液滴融合與神經元中富含HP1a的異染色質區靠近，從而進一步促使這些關鍵基因的永久沉默，確保神經元的終末分化。

值得一提的是，Prox1可能也採用「染色體植入驅使異染色質凝縮」這一策略來確保神經元的終末分化。另外，研究者發現Pros蛋白還可以形成聚集體保留在果蠅腸道前體細胞的分裂期染色體上。因此，這項研究所揭示的新現象和新機理可能代表了轉錄因子通過染色體植入驅使異染色質凝縮和細胞終末分化的普適規律。

液-液相分離作為細胞內的一種自組織方式，為我們理解許多生物學現象提供了嶄新的視角。然而，在生理條件下相分離是否真正參與調控重要的生物學過程還有待更確鑿有力的證據 [7,8]。通過將Pros蛋白中介導相分離的關鍵位點進行點突變或刪截，該工作的研究者在不影響內源表達量、入核能力及轉錄活性的基礎上構建了特異缺失相分離能力的Pros突變體。相分離能力的特異缺失使得Pros無法保留在染色體上，相應也失去了其調節異染色質凝縮及促進神經元終末分化的功能。更為重要的是，通過與已知驅動相分離的內在無序區域（IDR）融合來恢復Pros的相分離能力，Pros的染色體滯留及其促進異染色質凝縮和神經元分化的能力可以被有效恢復。因此，通過特異的突變與回補實驗和嚴謹的定量分析，這項研究首次建立了轉錄因子的液-液相變與生理條件下一系列重要生物學事件之間的因果關係，為相分離在動物發育過程中的重要生理學意義提控了強有力的證據。研究者推測其它滯留染色體的轉錄因子可能採用類似的液-液相分離的策略來實現其染色體滯留，並通過重塑染色質三維結構來調控細胞命運決定過程。

綜上所述，這項研究出乎意料的結果揭示了轉錄因子通過其生物物理特性的變化引起異染色質結構重塑，進而驅動細胞終末分化的新機制，為進一步探索細胞分化過程中異染色質的動態變化和調控機理提供了新視角和新思路。

北京大學生命科學學院博士生劉曉丹（PTN 2013級）和申靜雯（2016級）是該研究成果的共同第一作者。北大生命科學學院宋豔研究員是該論文的通訊作者。清華大學生命科學學院李丕龍研究員及其博士生謝雷鳴、北大生命科學學院博士生黃祖賢（PTN 2016級）和本科生魏澤林（2016級）、李怡瑤（2017級）、鄭心和（2017級）也在該課題研究中作出了重要貢獻。該研究項目得到了國家自然科學基金、北大-清華生命科學聯合中心和細胞增殖與分化教育部重點實驗室的資助。

參考文獻

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