清华大学研究人员应邀综述相分离对植物转录和染色质区室化的重要调控作用

细胞内各种生化反应的不同成分的区隔和交换对于维持细胞活动的精细调节至关重要。相比有膜细胞器，无膜细胞器（MLO）更为广泛地存在于细胞质、细胞核和许多其他膜细胞器中。越来越多的证据表明，相分离与很多重要的基础生命活动密切相关，在基因表达调控、细胞生长发育、信号转导、胁迫响应、细胞结构等方面发挥了重要的生物学功能。尽管，相分离在转录调控以及染色质结构调控中的作用机制主要来自于动物和酵母中的研究，近年来在植物中的研究提供了更灵活和多样的调节，愈加凸显了生物分子凝聚体在转录中的重要作用。

2023年6月13日，清华大学方晓峰课题组与合作者应邀在Current Opinion in Plant Biology共同撰写了题为“Emerging roles of phase separation in plant transcription and chromatin organization”的综述论文，讨论了植物中相分离在RNA介导的染色质沉默、转录活性调节以及染色质区室化中发挥重要作用的最新进展，并进一步展望了相分离在植物转录调控和染色质重构中的研究潜力和挑战。

方晓峰课题组主要研究植物细胞中蛋白质的相分离如何帮助细胞感知、响应和记忆非生物胁迫，综合利用生化、分子、遗传和学科交叉手段，系统性地解析植物细胞相分离在植物应对非生物胁迫过程中的具体分子机制，并基于此实现作物遗传改良。

文章首先总结了转录调控模型在动物研究中的提出和发展，从“转录工厂”到超级增强子介导的“相分离模型”更好的阐释了细胞内动态的转录调控机制。其次，文章进一步对植物中近些年相分离蛋白参与转录调控的研究进展进行了总结，讨论了相分离蛋白在植物应对生长发育和胁迫响应信号中调节转录的不同分子机制。相分离赋予了转录缩合物精细的时空分布以实现其特定生物学功能，文章对植物中目前报道的不同类型的相分离转录调控机制进行了总结归纳，如转录因子或辅因子依赖相分离招募其他转录复合物组分富集在染色质，从而实现转录动态调控；或者，某些转录因子可以发生相分离阻止自身或相关因子对于染色质的结合，从而调节转录发生（如图1）。

图1. 生物大分子缩合物调控植物转录过程

此外，染色质由DNA、RNA和蛋白质（主要是组蛋白）形成核小体并组装成“beads-on-a-string”结构，在细胞核中进一步压缩成更高阶的染色质结构，对于转录调控具有极为重要的作用。文章总结了植物中相分离参与染色质重构和区室化的研究，归纳了植物异染色质和常染色质浓缩物的形成机制，并比较了异染色质和常染色质浓缩物的差异。同时文章也介绍了被子植物与动物精细胞染色质浓缩的分子机制差异（如图2）。

图2. 相分离与植物染色质区室化

最后，作者对拟南芥和水稻中的转录因子序列特征进行分析，发现其带有比相应蛋白质组更高比例的内在无序区（Intrinsically disordered regions, IDRs），揭示植物转录因子依赖弱多价相互作用参与转录调控可能是其潜在的实现功能的方式之一。此外，作者还对未来在细胞内检测转录凝聚物的状态、行为和当前植物中相分离参与转录调控领域尚未解决的问题和方向提出了新的展望。

综上，本文系统总结了相分离在参与植物转录调控和染色质区室化的研究进展，探讨了植物相分离研究中的保守性和特异性，希望为探究植物转录调控和染色质区室化研究中的相分离现象提供参考。

清华大学生命科学学院博士后王云鹤为论文第一作者，方晓峰研究员和华南农业大学赫圣博教授为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金、岭南现代农业科学与技术广东省实验室、广东省双一流学科建设专项和广东省珠江人才计划的支持。