Mol Cell | 林一瀚課題組報(bào)道TF/p300共凝聚調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄爆發(fā)動(dòng)力學(xué)
p300和它的同源基因CREB-binding protein（CBP）是轉(zhuǎn)錄調(diào)控過(guò)程中發(fā)揮重要作用的轉(zhuǎn)錄共激活因子【1】。p300/CBP的突變或者染色體易位會(huì)引起基因表達(dá)紊亂和疾病的發(fā)生【2】。前人的研究結(jié)果表明，p300/CBP至少通過(guò)兩種方式來(lái)調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄【3】。一方面，p300/CBP可以作為橋梁/支架來(lái)調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子（TF）和其它轉(zhuǎn)錄相關(guān)蛋白的相互作用，提高轉(zhuǎn)錄的協(xié)同性并且穩(wěn)定轉(zhuǎn)錄復(fù)合物。另一方面，p300/CBP是一個(gè)乙?；?，可以對(duì)包括組蛋白在內(nèi)的多種蛋白進(jìn)行乙?；揎?，但是它發(fā)揮功能依賴于臨近的p300/CBP分子對(duì)其乙?；瘡亩鴮?shí)現(xiàn)反式激活【4】。一些研究的結(jié)果也表明，p300/CBP調(diào)控基因激活可以不依賴于其催化活性【5】。那么p300/CBP的這兩種功能在細(xì)胞內(nèi)是如何與特定的TF一起協(xié)同起來(lái)調(diào)控下游基因轉(zhuǎn)錄呢？
2021年3月1日，北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院定量生物學(xué)中心、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心林一瀚課題組在Molecular Cell在線發(fā)表題為“Co-condensation between transcription factor and coactivator p300 modulates transcriptional bursting kinetics”的文章。基于合成生物學(xué)、單細(xì)胞定量成像等手段，該研究的結(jié)果表明，p300可以通過(guò)其無(wú)序序列（IDR）與部分轉(zhuǎn)錄因子的反式激活域（TAD）相互作用，形成動(dòng)態(tài)的聚集體來(lái)協(xié)調(diào)上述兩種功能。TF/p300的共凝聚使p300在細(xì)胞內(nèi)局部聚集，促進(jìn)其反式激活反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)p300催化活性的空間特異的激活，進(jìn)而協(xié)助包括Brd4在內(nèi)的下游共激活因子的招募。在目標(biāo)基因調(diào)控層面，TF/p300的共凝聚可以影響目標(biāo)基因轉(zhuǎn)錄的起始速度、轉(zhuǎn)錄爆發(fā)的持續(xù)時(shí)間等定量參數(shù)，實(shí)現(xiàn)非線性的激活響應(yīng)。據(jù)此，該文提出了一種基于TF/p300共凝聚的基因調(diào)控模式，為理解細(xì)胞如何實(shí)現(xiàn)時(shí)空特異的基因激活提供了新見(jiàn)解。
研究人員首先在mESC、U2OS和SK-N-AS等細(xì)胞系中利用活細(xì)胞成像或者免疫熒光成像等手段觀察到了p300聚集體的存在，并且發(fā)現(xiàn)聚集體的數(shù)量受到細(xì)胞周期及細(xì)胞大小影響，并與特定轉(zhuǎn)錄因子存在刺激依賴的共定位現(xiàn)象。基于“optoDroplet”實(shí)驗(yàn)[YL1]?[m2]?[m3]?的思路【6】，研究人員發(fā)現(xiàn)藍(lán)光誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子TAD自聚集可以招募p300并形成共凝聚物。通過(guò)進(jìn)一步定量分析，研究人員發(fā)現(xiàn)不同的TAD與p300形成共凝聚物的能力差異較大，例如p65TAD的能力大于p53TAD。過(guò)表達(dá)p300可以促進(jìn)光誘導(dǎo)凝聚物的形成，并提高凝聚物的穩(wěn)定性。此外，天然二聚化的轉(zhuǎn)錄因子rTetR或者轉(zhuǎn)錄因子的多聚化結(jié)構(gòu)域（如p53的四聚化結(jié)構(gòu)域，TD）均可促使TAD與p300形成共凝聚物。p300有約60%的無(wú)序序列，通過(guò)對(duì)p300的不同片段進(jìn)行分析，研究人員發(fā)現(xiàn)其NTR1（氨基酸1-566）和CTR（氨基酸1856-2414）在p300形成凝聚物以及與TAD形成共凝聚物的過(guò)程中發(fā)揮主要作用。CTR富含谷氨酰胺（~20%），將其突變成丙氨酸后可以削弱其形成凝聚物的能力。
進(jìn)一步的數(shù)據(jù)顯示，TF/p300的共凝聚促進(jìn)了p300的自激活（p300 K1499ac），且由于p300含有Bromo結(jié)構(gòu)域（可以識(shí)別乙酰化的賴氨酸），因此猜測(cè)p300自激活可能提供了基于乙?；嚢彼岬恼心紁300的能力，形成潛在的正反饋機(jī)制來(lái)促進(jìn)聚集體的生長(zhǎng)。為了驗(yàn)證此假說(shuō)，研究人員利用p300酶活性抑制劑A-485處理細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)較大的TF/p300聚集體很快被解聚成小的聚集體。雖然該現(xiàn)象符合上述假說(shuō)，調(diào)控該聚集體的生長(zhǎng)調(diào)控機(jī)制仍需要進(jìn)一步探討。更多的活細(xì)胞成像數(shù)據(jù)暗示，TF/p300的共凝聚讓p300以類似“all-or-none”的方式在空間位置上被激活，進(jìn)而催化乙酰化修飾、招募Brd4，該招募強(qiáng)度與TF/p300形成共凝聚物的能力正相關(guān)。
圖1 TF/p300共凝聚物激活基因轉(zhuǎn)錄
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為了探究共凝聚現(xiàn)象的基因調(diào)控功能，研究人員首先在瞬轉(zhuǎn)體系中利用實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)錄報(bào)告系統(tǒng)展示TF/p300共凝聚物能以時(shí)空特異性的方式激活基因轉(zhuǎn)錄（圖1），然后構(gòu)建了穩(wěn)定整合有十余個(gè)能同時(shí)報(bào)告轉(zhuǎn)錄和蛋白表達(dá)的基因位點(diǎn)的細(xì)胞株，并在該細(xì)胞株中轉(zhuǎn)入多種TF用于分析。通過(guò)比較rTetR-p65TAD和rTetR-p53TAD調(diào)控的下游基因表達(dá)的差異，研究人員發(fā)現(xiàn)TF與p300形成共凝聚的能力可能與下游基因激活的強(qiáng)度以及與響應(yīng)曲線的非線性相關(guān)。為了驗(yàn)證這一假說(shuō)，研究人員嘗試去調(diào)控p53TAD與p300形成共凝聚物的能力，構(gòu)建了rTetR-p53TAD-p300CTR，rTetR-p53TAD-p300CTR（Q2A），rTetR-TD-p53TAD等合成轉(zhuǎn)錄因子。對(duì)這些TF介導(dǎo)的目標(biāo)基因激活進(jìn)行定量分析的結(jié)果支持上述假說(shuō)，但比較有趣的是，四聚化結(jié)構(gòu)域雖能提高目標(biāo)蛋白表達(dá)水平，對(duì)響應(yīng)曲線的非線性卻沒(méi)有增強(qiáng)。通過(guò)定量活細(xì)胞實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)錄成像，研究人員發(fā)現(xiàn)TF/p300共凝聚調(diào)控了轉(zhuǎn)錄爆發(fā)的起始速度，持續(xù)時(shí)間和激活的基因個(gè)數(shù)等參數(shù)，一定程度上解釋了在目標(biāo)蛋白層面上所觀察到的現(xiàn)象?；谇叭烁咄繑?shù)據(jù)的分析結(jié)果進(jìn)一步支持了上述成像數(shù)據(jù)所觀察到的現(xiàn)象。
圖2 基于TF/p300共凝聚的基因調(diào)控模式
綜上，該研究提出了一種基于TF/p300共凝聚的基因調(diào)控模式（圖2），為理解轉(zhuǎn)錄凝聚體如何參與基因調(diào)控【7-10】提供了新的數(shù)據(jù)，但尚未對(duì)共凝聚體形成的物理化學(xué)機(jī)制進(jìn)行深入細(xì)致的闡述。需要指出的是，當(dāng)前領(lǐng)域內(nèi)關(guān)于轉(zhuǎn)錄凝聚體是否、以及如何參與基因調(diào)控存在數(shù)種見(jiàn)解，雖然本研究中作者嘗試了不同手段去驗(yàn)證TF/p300共凝聚與轉(zhuǎn)錄調(diào)控的潛在因果關(guān)系，但仍期待更多的數(shù)據(jù)來(lái)測(cè)試其它可能的假說(shuō)。
北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院定量生物學(xué)中心、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心林一瀚研究員為本論文通訊作者，前沿交叉學(xué)科研究院博士研究生馬良為第一作者，前沿交叉學(xué)科研究院博士研究生高澤悅、謝雨晨和黃雯，清華大學(xué)生命學(xué)院博士研究生吳結(jié)根和鐘碧俊瑤為本論文的共同作者。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金以及北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心的資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.molcel.2021.01.031
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