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(jī)制
由抑制性組蛋白修飾H3K9me3所標(biāo)記的異染色質(zhì)在細(xì)胞分化過程中變得高度凝聚，其區(qū)域顯著擴(kuò)展 [1,2]，形成防止已分化細(xì)胞命運(yùn)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(xì)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?xiàng)l件下細(xì)胞分化過程中H3K9me3+異染色質(zhì)凝縮、擴(kuò)展的分子調(diào)控機(jī)理還尚不明晰。在終末分化的細(xì)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(gè)轉(zhuǎn)錄因子通過液-液相分離“植入”神經(jīng)前體細(xì)胞有絲分裂期染色體，通過促進(jìn)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(jī)制。
圖1. 轉(zhuǎn)錄因子Pros通過液-液相分離植入神經(jīng)前體細(xì)胞染色體
當(dāng)細(xì)胞進(jìn)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(huì)從染色體上脫離。在這項(xiàng)工作中，研究者通過免疫熒光染色和熒光顯微動(dòng)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(xì)胞有絲分裂期染色體（圖1）。Pros是在進(jìn)化上高度保守的同源域 (homeobox) 轉(zhuǎn)錄因子，與其在哺乳動(dòng)物中的同源基因Prox1一同在促進(jìn)細(xì)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(xì)的果蠅完整腦熒光動(dòng)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(xì)胞H3K9me3標(biāo)記的近著絲粒異染色質(zhì)區(qū)（圖1）。當(dāng)神經(jīng)前體細(xì)胞進(jìn)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(jìn)其轉(zhuǎn)變?yōu)榈土鲃?dòng)性的近凝膠狀態(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(kuò)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(jìn)一步的DamID-seq、DNA FISH和動(dòng)態(tài)成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)神經(jīng)前體細(xì)胞分裂產(chǎn)生兩個(gè)神經(jīng)元時(shí)，Pros從H3K9me3標(biāo)記的異染色質(zhì)區(qū)域解離下來，同時(shí)攜帶一部分HP1a到其關(guān)鍵目的基因（促進(jìn)干細(xì)胞自我復(fù)制和推動(dòng)細(xì)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(dá)。另外，這些發(fā)生染色質(zhì)局部凝縮的Pros目的基因位點(diǎn)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(jìn)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(xì)胞的分裂期染色體上。因此，這項(xiàng)研究所揭示的新現(xiàn)象和新機(jī)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(xì)胞終末分化的普適規(guī)律。
液-液相分離作為細(xì)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?xiàng)l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(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)突變或刪截，該工作的研究者在不影響內(nèi)源表達(dá)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(jìn)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(dòng)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(jìn)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(bǔ)實(shí)驗(yàn)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亩糠治?，這項(xiàng)研究首次建立了轉(zhuǎn)錄因子的液-液相變與生理?xiàng)l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(dòng)物發(fā)育過程中的重要生理學(xué)意義提控了強(qiáng)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(shí)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(xì)胞命運(yùn)決定過程。
綜上所述，這項(xiàng)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(jìn)而驅(qū)動(dòng)細(xì)胞終末分化的新機(jī)制，為進(jìn)一步探索細(xì)胞分化過程中異染色質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化和調(diào)控機(jī)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(jí)）和申靜雯（16級(jí)）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(jí)）和本科生魏澤林（16級(jí)）、李怡瑤（17級(jí)）、鄭心和（17級(jí)）也在該課題研究中做出了重要貢獻(xiàn)。該研究項(xiàng)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(xì)胞增殖與分化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的資助。
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原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.devcel.2019.11.019
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