应激性是生命的基本特征。响应外界刺激的基因表达调控在细胞水平决定了细胞增殖、分化、迁移和死亡，在器官和生物体水平决定了发育、免疫应答和神经可塑性，其调控异常可能会导致肿瘤。细胞及时响应外界刺激的一个策略是形成转录工厂，即将应答刺激的多个基因和多个RNA聚合酶拉到一起进行高效、协同的转录表达，但是这一过程如何发生和调控尚不清楚。北京大学生物医学前沿创新中心孙育杰团队4月15日在Science Advances杂志上发表题为Nuclear actin regulates inducible transcription by enhancing RNA polymerase II clustering的文章，结合高通量转录组测序和超分辨显微成像，阐明nuclear actin促进转录工厂形成，调控可诱导基因（inducible genes）转录的机理。这个机理可能是基因调控快速响应环境刺激的分子基础。

　　核内肌动蛋白（nuclear actin）通过多种途径调控基因表达：1. nuclear actin存在于染色质重构复合物中【1】；2. nuclear actin与三种RNA聚合酶都有相互作用，影响RNA聚合酶的转录活性【2】；3. nuclear actin调控转录辅助因子MAL的活性【3】；4. nuclear actin通过heterogeneous nuclear ribonucleoproteins与nascent transcript结合【4】；5. nuclear actin影响长程染色质组织结构和DNA损伤修复【5,6】。尽管有这些研究进展，nuclear actin调控基因表达的机理还不清楚。研究人员首先通过RNA-seq确定了在血清刺激条件下差异表达的一类基因—血清响应基因，发现nuclear actin对细胞维持以血清响应基因为特征的转录谱不可或缺。然后研究人员用免疫荧光原位杂交（ImmunoFISH）和多色超分辨成像观察到血清刺激下，Pol II clusters在血清响应基因位点上原位形成，进行活跃转录。接着研究人员通过活细胞超分辨成像、时间相关光激活定位显微（time-correlated PALM）分析、超分辨镶嵌（SR-Tesseler）分析，发现和正常条件相比，Pol II clusters在血清刺激下密度更高、更活跃、持续时间更长（图1），而nuclear actin的存在是观察到这种增强型Pol II clusters的必要条件。进一步，研究人员用多色超分辨成像观察到nuclear actin在血清刺激下会与Pol II clusters共定位（图2），暗示nuclear actin可能作为支架促进形成增强型的Pol II clusters。

图1. 活细胞超分辨成像（A），SR-Tesseler分析（B-D），time-correlated PALM分析（E）　

　　基于N-WASP蛋白和Arp2/3蛋白复合体都与Pol II有相互作用【7, 8】，研究人员通过超分辨成像与分析，发现经典的N-WASP-Arp2/3-actin pathway是形成血清增强型Pol II clusters的必要条件，而nuclear actin可能通过液-液相分离机制促进Pol II clusters的形成。特别重要的是，除了血清刺激，研究人员发现nuclear actin对在干扰素γ刺激下形成增强型Pol II cluster也是不可或缺的，显示出nuclear actin对调节Pol II clusters和响应刺激下的转录过程具有普遍意义。

图2. Nuclear actin在血清刺激下与Pol II clusters共定位

　　综合上述实验结果，研究人员提出了一个核内肌动蛋白调控转录的模型：核内肌动蛋白作为一个动态支架，通过相分离机制增强转录工厂的形成和维持。同时，这项研究也提出了下一步有待解决的问题。首先，进一步理解核内肌动蛋白如何形成支架、如何与RNA聚合酶共相分离，以此快速形成转录工厂响应不同刺激（血清、干扰素γ），是一个非常有趣的问题。其次，进一步的机理探索在很大程度上将会受益于技术的发展，尤其是发展对核内肌动蛋白进行无假象、高对比度、活细胞成像的技术。

图3. Nuclear actin调控Pol II clusters的模型

　　魏冕（现为哥伦比亚大学博士生）为文章的第一作者，孙育杰教授为文章的通讯作者，范小英、丁淼、李瑞风、邵世鹏、侯英萍、孟少帅、汤富酬教授、李程教授对此项研究做出了重要贡献。