揭示核內肌動蛋白調控轉錄機制

應激性是生命的基本特征。響應外界刺激的基因表達調控在細胞水平決定了細胞增殖、分化、遷移和死亡，在器官和生物體水平決定了發育、免疫應答和神經可塑性，其調控異常可能會導致腫瘤。細胞及時響應外界刺激的一個策略是形成轉錄工廠，即將應答刺激的多個基因和多個RNA聚合酶拉到一起進行高效、協同的轉錄表達，但是這一過程如何發生和調控尚不清楚。北京大學生物醫學前沿創新中心（BIOPIC）孫育杰教授課題組4月15日在Science Advances發表題為“Nuclear actin regulates inducible transcription by enhancing RNA polymerase II clustering”的文章，結合高通量轉錄組測序和超分辨顯微成像，闡明nuclear actin促進轉錄工廠形成、調控可誘導基因（induciblegenes）轉錄的機理。這一機理可能是基因調控快速響應環境刺激的分子基礎。

核內肌動蛋白（nuclear actin）通過多種途徑調控基因表達：1.nuclear actin存在于染色質重構復合物中；2.nuclear actin與三種RNA聚合酶都有相互作用，影響RNA聚合酶的轉錄活性；3.nuclear actin調控轉錄輔助因子MAL的活性；4.nuclear actin通過heterogeneous nuclear ribonucleoproteins與nascent transcript結合；5.nuclear actin影響長程染色質組織結構和DNA損傷修復。盡管有這些研究進展，nuclear actin調控基因表達的機理仍然不清楚。研究人員通過RNA-seq確定了在血清刺激條件下差異表達的一類基因——血清響應基因，發現nuclear actin對細胞維持以血清響應基因為特征的轉錄譜不可或缺。他們用免疫熒光原位雜交（ImmunoFISH）和多色超分辨成像觀察到血清刺激下，Pol II clusters在血清響應基因位點上原位形成，進行活躍轉錄。研究人員通過活細胞超分辨成像、時間相關光激活定位顯微（time-correlatedPALM）分析、超分辨鑲嵌（SR-Tesseler）分析，發現和正常條件相比，Pol II clusters在血清刺激下密度更高、更活躍、持續時間更長（圖1），而nuclear actin的存在是觀察到這種增強型PolIIclusters的必要條件。他們進一步用多色超分辨成像觀察到nuclear actin在血清刺激下會與Pol II clusters共定位（圖2），暗示nuclear actin可能作為支架促進形成增強型的Pol II clusters。

基于N-WASP蛋白和Arp2/3蛋白復合體都與Pol II有相互作用，研究人員通過超分辨成像與分析，發現經典的N-WASP-Arp2/3-actin pathway是形成血清增強型Pol II clusters的必要條件，而nuclear actin可能通過液-液相分離機制促進Pol II clusters的形成。特別重要的是，除了血清刺激，研究人員發現nuclear actin對在干擾素γ刺激下形成增強型Pol II cluster也是不可或缺的，顯示出nuclear actin對調節Pol II clusters和響應刺激下的轉錄過程具有普遍意義。

綜合上述實驗結果，研究人員提出了一個核內肌動蛋白調控轉錄的模型：核內肌動蛋白作為一個動態支架，通過相分離機制增強轉錄工廠的形成和維持。同時，這項研究提出了下一步有待解決的問題：進一步理解核內肌動蛋白如何形成支架、如何與RNA聚合酶共相分離，以此快速形成轉錄工廠響應不同刺激（血清、干擾素γ）是一個非常有趣的問題；進一步的機理探索在很大程度上將受益于技術發展，尤其是發展對核內肌動蛋白進行無假象、高對比度、活細胞成像的技術。