当细胞遭遇高温或其他应激胁迫时，会激活一种保守的细胞防御机制——热休克应答反应（HSR），以帮助细胞在恶劣环境中存活。热休克转录因子1（HSF1）是这一反应的核心调控因子，能够快速感知温度变化并诱导分子伴侣等基因的表达，从而维持细胞内蛋白质稳态。HSF1的活性受到翻译后修饰（PTMs）的精确调控，这些修饰影响其相分离能力及下游基因的转录 (Zhang, Shao et al. 2022)。这种精细的热休克应答反应不仅对细胞的即时生存和长期环境适应至关重要，还与多种疾病的发生发展密切相关。尽管HSF1的温度感应、相分离和PTMs调控在细胞应激反应和疾病中的作用已得到广泛认可，但其内在分子机制及相互联系仍有待深入解析。2025年1月10日，中国科学技术大学项晟祺教授课题组，侯中怀教授课题组和姚雪彪教授课题组在Nature Chemical Biology在线发表了题为The molecular mechanism of temperature-dependent phase separation of heat shock factor 1 的研究论文。该研究首次发现了HSF1通过相分离传导温度调控效应。研究团队综合利用生物化学、核磁共振波谱学、统计物理和分子动力学模拟等多学科手段，成功解析了HSF1编码温度响应能力的化学代码，阐明了翻译后修饰对其活性的调控机制，并揭示了不同物种HSF1序列差异与其生理体温之间的关联。这一突破性发现为理解HSF1的温度感知机制提供了全新的分子视角。本研究率先揭示了HSF1具有温度依赖性相分离特征, 并发现不同物种HSF1的相变临界温度与其各自的生理体温高度一致，表明HSF1本身可作为就一个细胞内的天然“温度计”。研究进一步鉴定出HSF1中的天然无序区域——调节结构域（RD）是其感知温度和驱动相分离发生的核心功能模块，而相邻的亮氨酸拉链结构域主要发挥调节作用。RD内不同的翻译后修饰可显著改变其相分离行为。平均场模型对相图的拟合分析显示，野生型HSF1具有典型的低临界溶液温度（LCST）相分离特征。为获取高分辨率的分子间相互作用细节，研究团队创新性地开发了一种基于核磁共振（NMR）数据驱动的粗粒化模拟力场优化方法。与传统力场相比，该优化力场能够更精确地捕捉少量突变引起的微小序列差异对无序蛋白构象及相分离行为的影响，实现了实验观测与理论模拟的深度融合。通过整合NMR实验与粗粒化分子动力学模拟，研究人员在残基水平上成功鉴定了驱动蛋白相分离的关键相互作用区域，并阐明了野生型及模拟不同PTMs模式突变体在不同温度下的分子间相互作用特征。值得注意的是，随温度升高而显著增强的分子间相互作用区域恰好对应于不同物种间序列差异最大的区域。通过交换这一关键区域的序列，研究人员发现不同物种HSF1的相变温度会发生相应改变，进一步证实了该区域在温度感知中的核心作用。图1 a) HSF1有温度依赖性的相分离。b) 几个代表性物种的HSF1相变温度都在其生理体温附近。c）NMR互作数据驱动的粗粒化模拟方法，可以重现野生型及其模拟不同PTMs模式突变体的相分离现象。d) 交换不同物种HSF1的关键区域也改变了它们的相变温度。
本研究开创性地揭示了HSF1相分离与动物体温调控之间的内在联系，为深入理解HSF1在热休克反应中的分子机制提供了全新视角。这一重要发现不仅拓展了我们对蛋白质相分离生物学功能的认识，更为开发基于HSF1调控的新型治疗策略奠定了重要的理论基础，对治疗癌症、神经退行性疾病等与HSF1活性异常相关的疾病具有重要的指导意义。特别值得指出的是，本研究所建立的创新性研究方法为无序蛋白相分离的模拟研究提供了可靠的技术平台，可广泛应用于相关领域的研究，具有重要的方法论价值。这些研究成果将有力推动蛋白质相分离领域的发展，并为相关疾病的治疗提供新的思路和方向。中国科学技术大学项晟祺课题组博士生任秋楠和侯中怀课题组博士生李林格为该论文的共同第一作者。项晟祺教授、姚雪彪教授和侯中怀教授为该论文的共同通讯作者。中国科学技术大学生命科学学院李娟博士，硕士研究生刘雷，微尺度国家研究中心史朝为研究员，国家蛋白质科学研究（上海）设施BL19U2生物小角散射线站的刘广峰博士，以及北京大学生命科学学院孙育杰教授均为该工作提供了重要帮助。原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41589-024-01806-y
制版人：十一
1. Zhang, H., S. Shao, Y. Zeng, X. Wang, Y. Qin, Q. Ren, S. Xiang, Y. Wang, J. Xiao and Y. Sun (2022). "Reversible phase separation of HSF1 is required for an acute transcriptional response during heat shock." Nat Cell Biol 24(3): 340-352
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