Science：相分離與基因轉錄間存在怎樣的關聯？

　　DNA結合轉錄因子（TF）是真核基因表達的典型調節因子。針對轉錄因子的早期研究揭示出它們的結構良好的DNA結合結構域（DNA binding domain, DBD）并鑒定出轉錄所需的功能上至關重要的激活結構域（activation domain, AD）。后來很明顯的是，許多激活結構域包含著固有無序化的低復雜度序列結構域（low-complexity sequence domain, LCD），但LCD如何激活轉錄仍然是不清楚的。盡管已知LCD的轉錄激活需要與結合伴侶（binding partner）選擇性地相互作用，但直接測量體內的選擇性LCD-LCD識別并揭示其作用機制一直充滿著挑戰。

圖片來自Science, doi:10.1126/science.aar3958。

　　傳統的生物化學重建和遺傳學研究已鑒定出很多在轉錄調控中起著至關重要的分子參與者。然而，弱的動態的蛋白-蛋白相互作用促進活細胞中的基因激活的機制一直是未知的。活細胞單分子成像取得的進展為研究體內轉錄開辟了新的前沿。

　　在一項新的研究中，Shasha Chong等人使用合成Lac操縱子（Lac operator, LacO）陣列和內源性GGAA微衛星位點來研究活細胞內的諸如EWS/FLI1、TAF15和Sp1之類的轉錄因子中的LCD-LCD相互作用。為了探測轉錄因子中的 LCD在靶基因組位點上的動態行為，這些研究人員將CRISPR-Cas9基因組編輯、誘導突變、基因激活、細胞轉化分析和包括熒光相關光譜、光漂白后熒光恢復技術、晶格光片照明顯微鏡、三維DNA熒光原位雜交和活細胞單粒子追蹤在內的各種高分辨率成像方法組合在一起。

　　活細胞單分子成像結果顯示轉錄因子中的多個LCD之間存在的相互作用，從而在合成DNA陣列和內源性基因組位點上形成局部的高聚集中心（high-concentration hub）。轉錄因子LCD高聚集中心讓DNA結合保持穩定、招募RNA聚合酶II（RNA Pol II）并激活轉錄。高聚集中心中的LCD-LCD相互作用是高度動態的（幾秒到幾分鐘），對結合伴侶具有選擇性，對己二醇破壞的敏感性具有較大的差別。這些發現表明在生理條件下，在轉錄因子和RNA Pol II復合物之間發生快速的可逆的和選擇性的多價LCD-LCD相互作用，從而激活轉錄。這些研究人員觀察到在廣泛的核內轉錄因子濃度下形成功能性的轉錄因子LCD高聚集中心。雖然他們檢測到明顯的液-液相分離和過度的LCD表達，但在沒有可檢測到的相分離的情況下，在內源性染色體位點上，在轉錄因子的生理水平下，就可觀察到具有轉錄能力的轉錄因子 LCD高聚集中心。此外，尤文氏肉瘤細胞中的誘導突變、基因表達和細胞轉化測定揭示了LCD-LCD相互作用、反式激活能力和致癌潛力之間的功能關聯性。

　　在活細胞中使用各種成像方法為體外研究提供了強有力的補充，并對LCD相互作用的性質及其在基因調控中的作用提供新的認識。這些研究人員提出反式激活結構域通過動態變化的多價的特異性的LCD-LCD相互作用形成局部的高聚集中心而發揮作用。轉錄因子之間發生的較弱的動態的瞬時接觸似乎也可能在基因表達的致病性調節異常（即尤文氏肉瘤中的EWS/FLI1）中起作用，這提示著LCD-LCD相互作用可能代表一類新的可行性藥物靶標。雖然他們研究了轉錄因子中的一小部分LCD，但是發現的關于導致LCD-LCD相互作用的動態變化和機制的原理可能適用于其他種類的蛋白和在許多細胞類型中發生的生物分子相互作用。

　　超級增強子（super-enhancer, SE）是一類協同性地組裝高度密集的轉錄裝置（transcriptional apparatus, 也譯作轉錄復合物）從而促進在細胞身份中起著突出作用的基因穩健表達的增強子。在另一項新的研究中，Benjamin R. Sabari等人證實超級增強子富集的轉錄輔激活因子BRD4和MED1在表現出液體狀凝集物性質而且會被干擾凝集物的化學物破壞的超級增強子上形成核斑點（nuclear puncta）。BRD4和MED1的固有無序區域（intrinsically disordered region, IDR）能夠形成相分離的液滴，并且MED1-IDR液滴能夠讓轉錄裝置區室化并且在核提取物中讓轉錄裝置聚集。這些結果支持這樣的觀點，即轉錄輔激活因子在超級增強子上形成相分離的凝集物，從而讓轉錄裝置區室化和聚集，這提示著轉錄輔激活因子IDR在這個過程中發揮作用，并提供對涉及控制關鍵的細胞身份基因的機制提供新的認識。

　　在第三項新的研究中，Won-Ki Cho等人利用活細胞超分辨率和光片顯微鏡，研究了轉錄中介輔激活因子（Mediator coactivator）和RNA聚合酶II的結構和動態變化。轉錄中介輔激活因子和RNA聚合酶II各自在活的胚胎干細胞中形成小的瞬時的聚集物和較大的穩定的聚集物，這些聚集物可與染色質結合，具有相分離的聚集物的性質，并且對轉錄抑制劑是敏感的。他們提出在大的或聚集的增強子元件上由轉錄因子招募的較大的轉錄中介輔激活因子聚合物在體內的轉錄凝集物中與較大的RNA聚合酶II聚集物相互作用。