揭示核內(nèi)肌動蛋白調(diào)控轉(zhuǎn)錄機(jī)制
應(yīng)激性是生命的基本特征。響應(yīng)外界刺激的基因表達(dá)調(diào)控在細(xì)胞水平?jīng)Q定了細(xì)胞增殖、分化、遷移和死亡，在器官和生物體水平?jīng)Q定了發(fā)育、免疫應(yīng)答和神經(jīng)可塑性，其調(diào)控異常可能會導(dǎo)致腫瘤。細(xì)胞及時響應(yīng)外界刺激的一個策略是形成轉(zhuǎn)錄工廠，即將應(yīng)答刺激的多個基因和多個RNA聚合酶拉到一起進(jìn)行高效、協(xié)同的轉(zhuǎn)錄表達(dá)，但是這一過程如何發(fā)生和調(diào)控尚不清楚。北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心（BIOPIC）孫育杰教授課題組4月15日在Science Advances發(fā)表題為“Nuclear actin regulates inducible transcription by enhancing RNA polymerase II clustering”的文章，結(jié)合高通量轉(zhuǎn)錄組測序和超分辨顯微成像，闡明nuclear actin促進(jìn)轉(zhuǎn)錄工廠形成、調(diào)控可誘導(dǎo)基因（induciblegenes）轉(zhuǎn)錄的機(jī)理。這一機(jī)理可能是基因調(diào)控快速響應(yīng)環(huán)境刺激的分子基礎(chǔ)。
核內(nèi)肌動蛋白（nuclear actin）通過多種途徑調(diào)控基因表達(dá)：1.nuclear actin存在于染色質(zhì)重構(gòu)復(fù)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(zhuǎn)錄活性；3.nuclear actin調(diào)控轉(zhuǎn)錄輔助因子MAL的活性；4.nuclear actin通過heterogeneous nuclear ribonucleoproteins與nascent transcript結(jié)合；5.nuclear actin影響長程染色質(zhì)組織結(jié)構(gòu)和DNA損傷修復(fù)。盡管有這些研究進(jìn)展，nuclear actin調(diào)控基因表達(dá)的機(jī)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(dá)的一類基因——血清響應(yīng)基因，發(fā)現(xiàn)nuclear actin對細(xì)胞維持以血清響應(yīng)基因為特征的轉(zhuǎn)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(yīng)基因位點(diǎn)上原位形成，進(jìn)行活躍轉(zhuǎn)錄。研究人員通過活細(xì)胞超分辨成像、時間相關(guān)光激活定位顯微（time-correlatedPALM）分析、超分辨鑲嵌（SR-Tesseler）分析，發(fā)現(xiàn)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(xù)時間更長（圖1），而nuclear actin的存在是觀察到這種增強(qiáng)型PolIIclusters的必要條件。他們進(jìn)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(jìn)形成增強(qiáng)型的Pol II clusters。
基于N-WASP蛋白和Arp2/3蛋白復(fù)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(fā)現(xiàn)經(jīng)典的N-WASP-Arp2/3-actin pathway是形成血清增強(qiáng)型Pol II clusters的必要條件，而nuclear actin可能通過液-液相分離機(jī)制促進(jìn)Pol II clusters的形成。特別重要的是，除了血清刺激，研究人員發(fā)現(xiàn)nuclear actin對在干擾素γ刺激下形成增強(qiáng)型Pol II cluster也是不可或缺的，顯示出nuclear actin對調(diào)節(jié)Pol II clusters和響應(yīng)刺激下的轉(zhuǎn)錄過程具有普遍意義。
綜合上述實驗結(jié)果，研究人員提出了一個核內(nèi)肌動蛋白調(diào)控轉(zhuǎn)錄的模型：核內(nèi)肌動蛋白作為一個動態(tài)支架，通過相分離機(jī)制增強(qiáng)轉(zhuǎn)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(jìn)一步理解核內(nèi)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(zhuǎn)錄工廠響應(yīng)不同刺激（血清、干擾素γ）是一個非常有趣的問題；進(jìn)一步的機(jī)理探索在很大程度上將受益于技術(shù)發(fā)展，尤其是發(fā)展對核內(nèi)肌動蛋白進(jìn)行無假象、高對比度、活細(xì)胞成像的技術(shù)。
