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Nat Cell Biol | 多梳系统：通过限制启动子 “苏醒” 来对抗转录

BioArt · 公众号 · 生物 · 2024-10-15 08:53

正文

撰文 | 啾啾椰

基因在不同细胞中具有特定的表达模式，在不同的时间点、不同的组织或细胞类型中，基因以特定的方式被激活或沉默。这意味着，不是所有基因在任何细胞或所有时间都处于活跃状态，而是根据细胞的类型、发育阶段或外部刺激，某些基因会被选择性地表达（开启）或抑制（关闭）。这种有序的基因表达模式是多细胞生物正常发育和功能的基础【1】，因为不同的细胞类型需要不同的基因活动来执行特定的功能。

基因表达模式依赖于转录因子识别基因调控元件中的DNA序列，进而控制RNA聚合酶II在基因启动子上的活性【2】。然而，在真核生物中，这些调控元件的染色质状态同样会极大地影响转录和基因表达。多梳抑制系统（Polycomb Repressive System，PRS）在维持哺乳动物发育的过程中，能紧致压缩DNA，通过表观遗传修饰导致基因沉默，确保在特定细胞类型中只有正确的基因保持活跃状态【3】。该系统由两个主要复合物构成：多梳抑制复合物1（Polycomb repressive complexes 1，PRC1）和2（PRC2）【4】。之前的研究表明，PRC2通过修饰组蛋白H3，引导PRC1识别并定位于染色质上， PRC1在组蛋白H2A上加上单泛素化修饰,从而形成Polycomb染色质域【5】。这些区域可以限制RNA聚合酶II的活动，对基因表达起抑制作用，限制转录起始的发生。尽管人们了解了PRC1和PRC2如何通过组蛋白修饰形成多梳染色质域并抑制基因表达的总体原理，但对这个过程在单个细胞中如何动态发生的细节仍然不清楚。

近日，来自牛津大学的Aleksander T. Szczurek和Robert J. Klose研究团队在Nature Cell Biology上发表了题为The Polycomb System Sustains Promoters in a Deep OFF State by Limiting Pre-Initiation Complex Formation to Counteract Transcription的文章，探索了多梳系统在单细胞层次上是如何具体调控基因的。

研究采用了快速降解蛋白系统（Rapid degron approaches）结合活细胞转录成像及单分子追踪技术。通过CRISPR-Cas9工程化小鼠胚胎干细胞，研究团队在两个多梳基因（受多梳系统调控的基因：Zic2和E2f6）的内含子中插入了MS2重复序列，使这些基因的转录过程可视化。此外，使用smRNA-FISH对基因的转录活动进行定量，借助单细胞水平的分析来捕捉转录的动态。

通过活细胞转录成像技术，研究人员发现多梳基因（Zic2和E2f6）的转录活动在单个细胞内具有突发性（pulsatile），并且这些基因在“开启”状态（ON periods）下会持续一定时间的转录，但更多时间处于“关闭”状态。这表明Polycomb基因的转录受到严格的时间调控。

图1：成像显示Polycomb基因在活细胞中的转录行为

那么，多梳系统是怎么进行时间调控的？他们比较了受多梳系统调控的基因（Zic2 和E2f6）和不受多梳系统调控的基因（Hspg2）在“开启”状态的转录本数量，转录时间以及Pol II加载频率，发现没有差别，也就是说，多梳系统调控的方式很可能并不是在开启状态期间限制转录。

通过细胞内快速降解蛋白系统，研究人员标记了PRC1使其快速降解，发现PRC1的失活对多梳基因在“开启”状态下的转录并没有明显抑制作用。这意味着多梳抑制系统的作用不在于直接影响转录进行，而是控制基因在何时处于开启或关闭状态。他们还发现，PRC1的耗竭显著增加了启动子从“关闭”状态进入“开启”状态的频率。虽然开启状态的持续时间并没有显著变化，但PRC1耗竭后，基因花费更多时间处于允许状态，导致基因转录事件的增加。也就是说，PRC1通过维持启动子的深度“关闭”状态来抑制基因转录。

研究人员假设，PRC1通过限制早期转录前起始复合物（pre-initiation complex, PIC）的结合，尤其是限制TFIID等关键因子的结合，来阻止基因启动子进入开启状态。单分子追踪（Single-Particle Tracking, SPT）技术允许研究人员荧光标记关键转录因子（如TBP、TAF1、TAF11等）并观测这些分子与染色质的动态相互作用。他们发现PRC1主要通过限制关键转录因子（如TBP和TFIID）的结合，减少早期转录前起始复合物（PIC）的形成，实现对转录的有效抑制。

图2：PIC 组装和转录调控阶段的示意图。

综上所述，本文采用了快速降解蛋白系统结合活细胞转录成像及单分子追踪技术，发现多梳系统并不直接抑制转录，而是通过维持启动子的关闭状态来抑制基因表达。PRC1抑制了转录前起始复合物的形成，减少了启动子进入开启状态的频率。这解释了多梳系统如何在不同细胞环境中限制基因表达的原理。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41556-024-01493-w

制版人：十一

参考文献

1. Schuettengruber, B., Bourbon, H. M., Di Croce, L. & Cavalli, G. Genome regulation by polycomb and trithorax: 70 years and counting. Cell 171, 34–57 (2017).

2. Haberle, V. & Stark, A. Eukaryotic core promoters and the functional basis of transcription initiation. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 19, 621–637 (2018).

3. Janssen, S. M. & Lorincz, M. C. Interplay between chromatin marks in development and disease. Nat. Rev. Genet. 23, 137–153 (2022).

4. Blackledge, N. P. & Klose, R. J. The molecular principles of gene regulation by Polycomb repressive complexes. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 22, 815–833 (2021).

5. Fursova, N. A. et al. Synergy between variant PRC1 complexes defines Polycomb-mediated gene repression. Mol. Cell 74, 1020–1036 e1028 (2019).

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