Science Advances：揭示核内肌动蛋白调控转录机制

应激性是生命的基本特征。响应外界刺激的基因表达调控在细胞水平决定了细胞增殖、分化、迁移和死亡，在器官和生物体水平决定了发育、免疫应答和神经可塑性，其调控异常可能会导致肿瘤。细胞及时响应外界刺激的一个策略是形成转录工厂，即将应答刺激的多个基因和多个RNA聚合酶拉到一起进行高效、协同的转录表达，但是这一过程如何发生和调控尚不清楚。北京大学生物医学前沿创新中心（BIOPIC）孙育杰教授课题组4月15日在Science Advances发表题为“Nuclear actin regulates inducible transcription by enhancing RNA polymerase II clustering”的文章，结合高通量转录组测序和超分辨显微成像，阐明nuclear actin促进转录工厂形成、调控可诱导基因（induciblegenes）转录的机理。这一机理可能是基因调控快速响应环境刺激的分子基础。

核内肌动蛋白（nuclear actin）通过多种途径调控基因表达：1.nuclear actin存在于染色质重构复合物中；2.nuclear actin与三种RNA聚合酶都有相互作用，影响RNA聚合酶的转录活性；3.nuclear actin调控转录辅助因子MAL的活性；4.nuclear actin通过heterogeneous nuclear ribonucleoproteins与nascent transcript结合；5.nuclear actin影响长程染色质组织结构和DNA损伤修复。尽管有这些研究进展，nuclear actin调控基因表达的机理仍然不清楚。研究人员通过RNA-seq确定了在血清刺激条件下差异表达的一类基因——血清响应基因，发现nuclear actin对细胞维持以血清响应基因为特征的转录谱不可或缺。他们用免疫荧光原位杂交（ImmunoFISH）和多色超分辨成像观察到血清刺激下，Pol II clusters在血清响应基因位点上原位形成，进行活跃转录。研究人员通过活细胞超分辨成像、时间相关光激活定位显微（time-correlatedPALM）分析、超分辨镶嵌（SR-Tesseler）分析，发现和正常条件相比，Pol II clusters在血清刺激下密度更高、更活跃、持续时间更长（图1），而nuclear actin的存在是观察到这种增强型PolIIclusters的必要条件。他们进一步用多色超分辨成像观察到nuclear actin在血清刺激下会与Pol II clusters共定位（图2），暗示nuclear actin可能作为支架促进形成增强型的Pol II clusters。

基于N-WASP蛋白和Arp2/3蛋白复合体都与Pol II有相互作用，研究人员通过超分辨成像与分析，发现经典的N-WASP-Arp2/3-actin pathway是形成血清增强型Pol II clusters的必要条件，而nuclear actin可能通过液-液相分离机制促进Pol II clusters的形成。特别重要的是，除了血清刺激，研究人员发现nuclear actin对在干扰素γ刺激下形成增强型Pol II cluster也是不可或缺的，显示出nuclear actin对调节Pol II clusters和响应刺激下的转录过程具有普遍意义。

综合上述实验结果，研究人员提出了一个核内肌动蛋白调控转录的模型：核内肌动蛋白作为一个动态支架，通过相分离机制增强转录工厂的形成和维持。同时，这项研究提出了下一步有待解决的问题：进一步理解核内肌动蛋白如何形成支架、如何与RNA聚合酶共相分离，以此快速形成转录工厂响应不同刺激（血清、干扰素γ）是一个非常有趣的问题；进一步的机理探索在很大程度上将受益于技术发展，尤其是发展对核内肌动蛋白进行无假象、高对比度、活细胞成像的技术。(生物谷Bioon.com）