Nature丨廈大/UCB周強組揭示相分離對基因轉錄調控的分子機制——剛柔並濟的分子調節及藥物開發新理論

本文轉自BioArt

生物大分子相變（Phase transition）或者說相分離（Phase separation）是近期生命科學領域的前沿熱點研究方向，最近一段時間陸續發表了非常多的相關研究（詳見BioArt此前的報道：李丕龍教授特評丨生物大分子的「相變」——簡談近期系列「相變」研究成果；三個小組的激烈競爭丨細胞質RNAi跨代遺傳機製取得突破性進展）。過去一段時間，相分離領域比較受關注的蛋白是一種RNA結合蛋白FUS（上月Cell一次性發表了4篇相關論文），儘管過去有報道FUS和TAF15在相變後能夠招募RNA聚合酶Pol II 的CTD參與轉錄的起始【1,2】，此外，最近Phillip Sharp和Richard Young等在Cell上發表觀點性文章提出了一個圍繞相變與超級增強子參與轉錄調控的模型【3】，,然而圍繞轉錄調控的重要蛋白的相變研究仍然缺乏深入的研究。

北京時間，5月31日，廈門大學藥學院講座教授/加州大學伯克利分校教授周強課題組在Nature上在線發表了題為 「Phase separation mechanism for C-terminal hyperphosphorylation of RNA polymerase II」 的研究論文。該工作闡釋了蛋白激酶中含有的組氨酸富集結構域（Histidine-Rich Domain, HRD）可以通過相位分離（Phase separation）對細胞基因轉錄進行調控的分子機制。該研究成果為進一步闡釋該機制提供了全新的視角和概念；為以依託此機制進行的藥物設計、篩選和開發提供了新思路、新靶點和新模型。因此, 該成果在理論研究及應用方面均具有重要意義。

基因轉錄是細胞基因表達和行使正常功能必不可少的重要環節。它的異常調控往往會引起不同疾病的發生；因此，轉錄調控機制及相關藥物開發一直是生物醫藥領域研究的熱點之一。人類細胞的編碼基因是由RNA聚合酶II（Pol II） 負責轉錄，它是由一系列精密調控且高效的生化反應所組成。其中的一個重要反應是由轉錄激酶P-TEFb 對Pol II 的CTD結構域進行磷酸化高度修飾（Hyperphosphorylation），從而實現Pol II的高效轉錄延伸【4,5】。

CTD 上有許多磷酸化修飾位點，但使得P-TEFb對CTD進行高度修飾所需的識別及作用機制則尚未得到闡釋。由於高效特異性的蛋白互作結構域往往具有剛性不易變的三維空間結構，我們可以將由精準蛋白互作介導的基因轉錄調控稱為「剛性機制」。但近期的研究發現負責調控轉錄的蛋白常含有大量不可定義三維空間結構的片段，它們通常被稱為低複雜性區域（Low Complexity Domain, LCD）或內在無序區域（Intrinsically Disordered Region, IDR）。研究表明，含有LCD/IDR的蛋白可以通過相位分離（類似日常生活中見到的油水分離）的方式聚合形成液滴狀的特殊結構。這些結構可在一定的條件下從水溶液中分離出來，形成局部富集結構並極大促進存在於其中的各類生化反應的進行，同時也能與周圍環境交換物質。細胞內很多無膜結構，例如核斑點（nuclear speckle）、核仁(nucleolus)、應激顆粒（Stress granules）等，極有可能都是通過相位分離的方式形成並工作的。由於LCD/IDR並不具有穩定的三維空間結構，其可塑性強，因此我們可以將由LCD/IDR介導的生物活性調控稱為「柔性機制」。

周強教授課題組長期從事基因轉錄調控特別是關於P-TEFb功能及其活性調控的分子和信號機制方面的研究，做出了系列重要的工作【6-8】。該課題組最新的這項研究正是揭示了「柔性機制」在轉錄過程中的重要作用。他們發現 P-TEFb亞基CycT1及另一基因特異性轉錄調控因子DYRK1A上均含有進化上保守並對CTD高度修飾及P-TEFb轉錄功能非常重要的組氨酸富集結構域（histidine-rich domain，HRD），HRD與其上下游序列一起形成一個大的內在無序區域（IDR）。進一步研究發現該區域在體外可以通過HRD分子間的相互作用以相位分離的方式聚合形成液滴狀結構。在細胞核內，CycT1和DYRK1A則依賴HRD形成斑點結構（nuclear speckle）並可發生動態融合（下圖）（這些亮點的形成過去有一段時間被認為是轉錄因子和剪接因子的富集在核斑點）。

表達eGFP-CYCT1的HeLa細胞在延時相差顯微鏡下的成像

在進一步的研究中，研究人員發現 HRD又能以和CTD直接作用的方式招募並富集Pol II到HRD形成的液滴中。當用藥物（1,6-hexanediol）破壞HRD形成的相變結構後，課題組發現 Pol II CTD高度磷酸化修飾也被抑制了（下圖）。而此前有研究表明CycT1 Cyclin Box結構域可以用「剛性機制」的方式特異性結合P-TEFb激酶亞基CDK9，因此結合此前的研究與本次研究，周強課題組證實了CycT1通過「剛柔並濟」的方式富集CDK9和Pol II到相位分離形成的液滴狀結構中，從而最大化地促進Pol II CTD磷酸化及轉錄延伸活性。

由於過去靶向藥物設計多以「剛性機制」中的三維結構域為靶點，周強教授課題組對「柔性機制」的深入研究無疑會為藥物設計提供新思路、新靶點。因此, 該成果在理論研究及應用方面均具有重要意義。

值得一提的是，周強課題組論文在線的同時，Nature還配發了一語雙關的題為「Transcription regulation enters a new phase」的評述文章，提出了許多有待進一步解決的問題。

據悉，該論文的第一作者是陸華松博士，通訊作者為周強教授。

周強教授簡介：

周強，2007年起任加州大學柏克利分校分子與細胞生物學系教授，現任廈門大學講座教授，博士生導師。周強教授的主要研究領域之一是真核及艾滋病基因轉錄調控機制研究。近年，真核及艾滋病基因轉錄延伸調控研究的突破性進展，大多得益於對正性轉錄延伸因子（P-TEFb）功能的研究。周強教授有關P-TEFb功能及其活性調控的分子和信號機制方面的研究，使該領域得以將基因的全局性調控與細胞生物學功能調節緊密結合。在Science、Nature、Genes & Development、Molecular Cell、EMBO J、PNAS等國際主流權威刊物上，以第一或通訊作者身份共發表了數十篇相關科學論文。其中4篇被Faculty of 1000收錄為推薦參考和閱讀的文獻。除在科學刊物上發表研究論文之外，周強教授以其原創性發現獲得美國專利2項。曾獲國家基金海外傑出青年基金、美國癌症協會初級研究員獎、美國陸軍乳腺癌研究計劃的博士後獎學金、Hellman Family Faculty Award、The Schubert Family Assistant Professorship、The Biological Sciences Award from the Faculty Research Fund 等多項榮譽。被評為執教美國大學35強的中國大陸學子之一。並為美國NIH分子與細胞生物學基金評委會常務評委；多種國際權威刊物的編委或審稿人；Novartis疫苗與診斷公司科學顧問。

參考文獻：

1、Burke, K. A., Janke, A. M., Rhine, C. L., & Fawzi, N. L. (2015). Residue-by-residue view of in vitro FUS granules that bind the C-terminal domain of RNA polymerase II. Molecular cell, 60(2), 231-241.

2、Kwon, I. et al. Phosphorylation-regulated binding of RNA polymerase II to fibrous polymers of low-complexity domains. Cell155, 1049–1060 (2013).

3、Hnisz, D., Shrinivas, K., Young, R. A., Chakraborty, A. K. & Sharp, P. A. A phase separation model for transcriptional control. Cell 169, 13–23 (2017).

4、Harlen, K. M. & Churchman, L. S. The code and beyond: transcription regulation by the RNA polymerase II carboxy-terminal domain. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 18, 263–273 (2017).

5、Zaborowska, J., Egloff, S. & Murphy, S. The pol II CTD: new twists in the tail. Nat. Struct. Mol. Biol.23, 771–777 (2016).

6、Fong, Y. W., & Zhou, Q. (2001). Stimulatory effect of splicing factors on transcriptional elongation.Nature, 414(6866), 929.

7、Yang, Z., Zhu, Q., Luo, K., and Zhou, Q.The 7SK small nuclear RNAinhibitsthe CDK9/cyclin T1 kinase to control transcription.Nature, 2001, 414, 317-322.

8、Zhou, Q., Li, T., & Price, D. H. (2012). RNA polymerase II elongation control. Annual review of biochemistry, 81, 119-143.

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