Developmental Cell | 宋艷研究組揭示轉(zhuǎn)錄因子通過相分離驅(qū)使神經(jīng)元終末分化的新機制
由抑制性組蛋白修飾H3K9me3所標記的異染色質(zhì)在細胞分化過程中變得高度凝聚，其區(qū)域顯著擴展 [1,2]，形成防止已分化細胞命運逆轉(zhuǎn)的重要壁壘。與此相對應(yīng)，H3K9me3+異染色質(zhì)區(qū)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(zhì)的形成取決于H3K9me3的“閱讀器”異染色質(zhì)蛋白1（HP1）和H3K9me3的“寫入器”H3K9甲基轉(zhuǎn)移酶SUV39H1的協(xié)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(zhì)凝縮、擴展的分子調(diào)控機理還尚不明晰。在終末分化的細胞中，異染色質(zhì)如何調(diào)控特定基因的永久沉默更是未解之謎。
2019年12月19日，Developmental Cell雜志在線發(fā)表了北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院宋艷研究組題為 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(fā)育過程中，一個轉(zhuǎn)錄因子通過液-液相分離“植入”神經(jīng)前體細胞有絲分裂期染色體，通過促進H3K9me3+異染色質(zhì)凝聚確保神經(jīng)元終末分化的新現(xiàn)象和新機制。
圖1. 轉(zhuǎn)錄因子Pros通過液-液相分離植入神經(jīng)前體細胞染色體
當(dāng)細胞進入有絲分裂期，由于染色質(zhì)凝縮形成高度致密的染色體，絕大多數(shù)基因轉(zhuǎn)錄的關(guān)鍵調(diào)控元件（包括轉(zhuǎn)錄因子）會從染色體上脫離。在這項工作中，研究者通過免疫熒光染色和熒光顯微動態(tài)成像意外地發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄因子Prospero（Pros）可以形成小的聚集體 (foci) 并滯留在果蠅神經(jīng)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(zhuǎn)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(guān)鍵性的作用。那么，Pros為什么可以保留在結(jié)構(gòu)致密的染色體上？這一轉(zhuǎn)錄因子的染色體植入 (mitotic implantation) 現(xiàn)象又有什么樣的生理學(xué)功能？通過精細的果蠅完整腦熒光動態(tài)成像、完整腦光漂白恢復(fù)、光液滴（optoDroplet）、體外相分離等多種技術(shù)手段，研究者觀察到了令人驚訝的結(jié)果，即Pros蛋白是通過液-液相分離植入并保留在神經(jīng)前體細胞H3K9me3標記的近著絲粒異染色質(zhì)區(qū)（圖1）。當(dāng)神經(jīng)前體細胞進入有絲分裂末期，保留在異染色質(zhì)區(qū)的Pros蛋白招募并濃縮H3K9me3閱讀器 HP1a 成為相分離的凝聚體(condensates)，并促進其轉(zhuǎn)變?yōu)榈土鲃有缘慕z狀態(tài)，從而驅(qū)使新生成的神經(jīng)元中H3K9me3+異染色質(zhì)區(qū)域的凝縮和擴展（圖2）。
圖2. 轉(zhuǎn)錄因子Pros通過液-液相分離驅(qū)使神經(jīng)元終末分化
研究者進一步的DamID-seq、DNA FISH和動態(tài)成像實驗結(jié)果表明，當(dāng)神經(jīng)前體細胞分裂產(chǎn)生兩個神經(jīng)元時，Pros從H3K9me3標記的異染色質(zhì)區(qū)域解離下來，同時攜帶一部分HP1a到其關(guān)鍵目的基因（促進干細胞自我復(fù)制和推動細胞周期的重要基因），繼而通過HP1a介導(dǎo)這些基因所在染色質(zhì)區(qū)域發(fā)生局部凝縮，關(guān)閉這些基因的表達。另外，這些發(fā)生染色質(zhì)局部凝縮的Pros目的基因位點可能通過HP1a介導(dǎo)的液滴融合與神經(jīng)元中富含HP1a的異染色質(zhì)區(qū)靠近，從而進一步促使這些關(guān)鍵基因的永久沉默，確保神經(jīng)元的終末分化。
值得一提的是，Prox1可能也采用“染色體植入驅(qū)使異染色質(zhì)凝縮”這一策略來確保神經(jīng)元的終末分化。另外，研究者發(fā)現(xiàn)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(xiàn)象和新機理可能代表了轉(zhuǎn)錄因子通過染色體植入驅(qū)使異染色質(zhì)凝縮和細胞終末分化的普適規(guī)律。
液-液相分離作為細胞內(nèi)的一種自組織方式，為我們理解許多生物學(xué)現(xiàn)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(diào)控重要的生物學(xué)過程還有待更確鑿有力的證據(jù) [7,8]。通過將Pros蛋白中介導(dǎo)相分離的關(guān)鍵位點進行點突變或刪截，該工作的研究者在不影響內(nèi)源表達量、入核能力及轉(zhuǎn)錄活性的基礎(chǔ)上構(gòu)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(yīng)也失去了其調(diào)節(jié)異染色質(zhì)凝縮及促進神經(jīng)元終末分化的功能。更為重要的是，通過與已知驅(qū)動相分離的內(nèi)在無序區(qū)域（IDR）融合來恢復(fù)Pros的相分離能力， Pros的染色體滯留及其促進異染色質(zhì)凝縮和神經(jīng)元分化的能力可以被有效恢復(fù)。因此，通過特異的突變與回補實驗和嚴謹?shù)亩糠治?，這項研究首次建立了轉(zhuǎn)錄因子的液-液相變與生理條件下一系列重要生物學(xué)事件之間的因果關(guān)系，為相分離在動物發(fā)育過程中的重要生理學(xué)意義提控了強有力的證據(jù)。研究者推測其它滯留染色體的轉(zhuǎn)錄因子可能采用類似的液-液相分離的策略來實現(xiàn)其染色體滯留，并通過重塑染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)來調(diào)控細胞命運決定過程。
綜上所述，這項研究出乎意料的結(jié)果揭示了轉(zhuǎn)錄因子通過其生物物理特性的變化引起異染色質(zhì)結(jié)構(gòu)重塑，進而驅(qū)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(zhì)的動態(tài)變化和調(diào)控機理提供了新視角和新思路。
北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士生劉曉丹（PTN 13級）和申靜雯（16級）是該研究成果的共同第一作者。生命科學(xué)學(xué)院宋艷研究員是該論文的通訊作者。清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李丕龍研究員及其博士生謝雷鳴、北大生科院博士生黃祖賢（PTN 16級）和本科生魏澤林（16級）、李怡瑤（17級）、鄭心和（17級）也在該課題研究中做出了重要貢獻。該研究項目得到了國家自然科學(xué)基金、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)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
1. Wen, B., Wu, H., Shinkai, Y., Irizarry, R.A., and Feinberg, A.P. (2009). Large histone H3 lysine 9 dimethylated chromatin blocks distinguish differentiated from embryonic stem cells. Nat Genet 41, 246-250.
2. Becker, J.S., Nicetto, D., and Zaret, K.S. (2016). H3K9me3-Dependent Heterochromatin: Barrier to Cell Fate Changes. Trends Genet32, 29-41.
3. Matoba, S., Liu, Y., Lu, F., Iwabuchi, K.A., Shen, L., Inoue, A., and Zhang, Y. (2014). Embryonic development following somatic cell nuclear transfer impeded by persisting histone methylation. Cell 159:884-895.
4. Liu, Z., Cai, Y., Wang, Y., Nie, Y., Zhang, C., Xu, Y., Zhang, X., Lu, Y., Wang, Z., Poo, M., and Sun, Q. (2018). Cloning of Macaque Monkeys by Somatic Cell Nuclear Transfer. Cell 172:881-887.
5. Al-Sady, B., Madhani, H.D., and Narlikar, G.J. (2013). Division of labor between the chromodomains of HP1 and Suv39 methylase enables coordination of heterochromatin spread. Mol Cell 51, 80-91.
6. Allshire, R.C., and Madhani, H.D. (2018). Ten principles of heterochromatin formation and function. Nat Rev Mol Cell Biol 19, 229-244.
7. Alberti, S., Gladfelter, A., and Mittag, T. (2019). Considerations and Challenges in Studying Liquid-Liquid Phase Separation and Biomolecular Condensates. Cell 176, 419-434.
8. McSwiggen, D.T., Mir, M., Darzacq, X., and Tjian, R. (2019). Evaluating phase separation in live cells: diagnosis, caveats, and functional consequences. Genes Dev 33, 1619-1634.
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.devcel.2019.11.019
版權(quán)與免責(zé)聲明：本網(wǎng)頁的內(nèi)容由收集互聯(lián)網(wǎng)上公開發(fā)布的信息整理獲得。目的在于傳遞信息及分享，并不意味著贊同其觀點或證實其真實性，也不構(gòu)成其他建議。僅提供交流平臺，不為其版權(quán)負責(zé)。如涉及侵權(quán)，請聯(lián)系我們及時修改或刪除。郵箱：sales@allpeptide.com