您的位置:首页 > 中心动态> 正文

Science Advances 丨 孙育杰组揭示核内肌动蛋白调控转录机制

时间:2020/04/16   放大字体 放小字体 打印

  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。