Nature Cell Biology | 孙育杰组揭示细胞在热激压力下相分离促进转录快速应答的作用与机制

        细胞常常面对各种应激环境,这些压力会威胁细胞生存、破坏细胞结构、影响细胞功能。在进化的长河中,细胞对外界环境的适应性逐渐增强,以应对一定程度的波动,维持正常的细胞内环境稳态。在众多环境压力中,热刺激对于细胞来说是威胁生存的较大挑战,每种细胞只能在适宜的温度范围内生存,当温度高于最适温度,细胞会启动热休克反应激活热休克转录因子(HSF1)促进热休克或热应激蛋白(HSPs)的快速表达以缓解压力。然而,HSF1的激活具有复杂的调控机制,其分子机制值得深入研究。
2022年3月7日,孙育杰课题组在Nature Cell Biology杂志上在线发表题为“Reversible phase separation of HSF1 is required for an acute transcriptional response during heat shock”的研究论文,通过超分辨显微成像、体外重构和多组学等技术,揭示了细胞快速应答热激压力下转录因子HSF1相分离的作用与机制,完善了热休克中HSPs基因表达调控的模型。 
        热休克会诱导细胞核内应激颗粒/小体(nuclear stress body,nSB)的产生,它们通常被视为热休克反应的指标。然而,研究表明,不同于酵母细胞中HSF1应激颗粒存在于伴侣基因位点,在哺乳动物细胞中的HSF1 nSBs与HSP基因并不共定位1。相反,这些巨大的nSBs在热休克期间驱动一类长的非编码RNA(卫星III转录本)的产生,这同时阻隔了转录机器,进而诱导全局转录抑制2。此外,啮齿动物细胞在热休克反应中并不形成nSB,但仍然可以激活HSP的表达响应热休克3。这些都表明广泛研究的HSF1 nSB不太可能是热休克期间发生的HSP基因快速转录激活的主要驱动因素。因此在nSBs对伴侣基因转录抑制情况存在的情况下,HSF1如何快速激活HSP的转录亟待研究。作者首先利用随机光学重建显微镜(STORM)技术量化了HSF1分子的空间分布,并评估了它们的功能聚类行为。结果表明,在热休克条件下,HSF1分子在细胞核中同时形成nSBs和小的凝聚体(直径,~300 nm),不同于与HSP基因无重叠的nSB,这些HSF1小的凝聚体常与HSP基因位点重合。
        基于之前热休克期间HSF1的许多位点被翻译后修饰(PTM)并调控其转录活性的报道,作者通过构建一系列突变体和体外磷酸化HSF1,确定了特定位点的翻译后修饰驱动HSF1相分离的结论。为了进一步探究HSF1相分离对转录调控的影响,作者使用双色超分辨成像发现HSF1招募转录相关因子共相分离,形成转录活跃中心(下图)。同时,使用Cut&Tag和高通量测序测量了特定位点翻译后修饰驱动的相分离对HSF1靶向染色质的影响,以绘制在正常生理条件下和热休克条件下有相分离能力的HSF1突变体与相分离缺陷的HSF1突变体的全基因组结合图谱。结果显示,相分离可以显著促进HSF1靶向染色质的能力,而相分离缺陷突变体的染色质结合率则显著降低。最后,RNA测序与逆转录定量PCR实验结果共同支持HSF1的相分离在激活HSP基因表达中的关键作用。除了在急性应激期间诱导HSP表达外,HSF1还在病理状态下广泛调节相关基因的表达,例如肿瘤的发生和神经退行性疾病4。有趣的是,作者发现激活癌症特异性基因表达的磷酸化HSF1不能发生相分离,表明细胞在应激刺激和慢性过程下通过不同的机制激活靶基因的表达。
        近几年的研究逐步确立了相分离是激活基因表达的一种有效机制,但对于该进程如何适时终止尚缺乏研究。作者发现HSF1靶向激活表达的HSP70可以负调控HSF1相分离,表现为HSP70能减弱HSF1的液液相分离,甚至可以阻止HSF1在延长的热休克过程中发生的液固相转变,揭示了一个相分离调控基因表达的反馈机制。
        综合以上结果,该研究提出了一种可诱导和可逆的相分离转录调控机制。该机制提供了HSF1活性的动态调节,以在急性应激期间有效驱动HSP基因转录并在热休克停止后适时回归到失活状态继而维持细胞蛋白质稳态。
 
 
 
        北京大学生命科学学院博士研究生张宏晨和北京安贞医院助理研究员邵世鹏博士为文章第一作者,邵世鹏博士和生物医学前沿创新中心(BIOPIC)、北京大学未来技术学院孙育杰教授为本文通讯作者。北京安贞医院曾勇教授,北京大学博士研究生王啸天、覃艺芝,中国科学技术大学项晟祺教授、博士研究生任秋楠,北京大学肖俊宇教授、王禹心博士等对本文做出了重要贡献。
 
        原文链接: https://www.nature.com/articles/s41556-022-00846-7
        参考文献
        1 Cotto, J., Fox, S. & Morimoto, R. HSF1 granules: a novel stress-induced nuclear compartment of human cells. J Cell Sci110, 2925-2934, doi:10.1242/jcs.110.23.2925 (1997).
        2 Goenka, A. et al. Human satellite-III non-coding RNAs modulate heat-shock-induced transcriptional repression. J Cell Sci129, 3541-3552, doi:10.1242/jcs.189803 (2016).
        3 Denegri, M. et al. Human chromosomes 9, 12, and 15 contain the nucleation sites of stress-induced nuclear bodies. Mol Biol Cell13, 2069-2079, doi:10.1091/mbc.01-12-0569 (2002).
        4 Gomez-Pastor, R., Burchfiel, E. T. & Thiele, D. J. Regulation of heat shock transcription factors and their roles in physiology and disease. Nat Rev Mol Cell Biol19, 4-19, doi:10.1038/nrm.2017.73 (2018).
 

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