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转录因子与Mediator通过液-液相分离形成的转录凝集体的失调导致相关疾病的发生

目前为止,已经发现有30多种的人类遗传病是由于较短的DNA重复序列的异常扩增导致,一些三核苷酸重复序列的反复扩增发生在基因的蛋白编码区,从而导致蛋白序列中异常的丙氨酸或谷氨酰胺的重复,这种重复的序列往往导致蛋白不能正常折叠发挥正常的作用,从而导致神经退行性等疾病的发生【1】。谷氨酰胺的异常重复序列通常与一些神经退行性疾病相关,比如典型的亨廷顿氏病和脊髓小脑性共济失调【2】。另外,谷氨酸的重复通常导致一些发育方面的疾病,比如常见的多指以及并指【3】

这种重复序列导致疾病的原因已经研究多年,随着研究的逐渐深入,逐渐认为由于以下三种原因导致疾病的发生:1. 这种重复序列导致蛋白性质的改变,从而改变其在细胞中的定位;2. 或者由于不能正常折叠导致蛋白的聚集,形成细胞毒性;3. 或者影响了其在细胞内的正常降解途径,从而导致疾病的发生。尽管研究多年,一些含有异常重复序列的蛋白,这种重复序列并不导致蛋白的聚集或者细胞定位的变化,这种突变蛋白导致疾病发生的分子机制到目前为止仍不明确。研究证实,大多数的这种含有大量重复序列蛋白的都定位在细胞核,并且大部分都是转录因子,对于基因表达调控起着最重要的作用。对这些蛋白的结构分析显示,这种异常的重复序列通常都在这些转录因子的IDR(Intrinsic Disordered Region)区域。近年来的研究表明,IDR区域对于蛋白的相分离过程起着重要的作用。另外,已经有研究表明,多种转录因子可以和转录中介体复合物Mediator发生液-液相分离从而激活基因表达【4-7】。那么这些在IDR区域的异常的氨基酸重复是否会影响这些转录因子的与Mediator发生相分离,从而导致疾病的发生?

2020年5月7日,来自德国Max Planck Institute for Molecular Genetics的Denes Hnisz课题组在Cell杂志发表了题为 Unblending of Transcriptional Condensates in Human Repeat Expansion Disease 的文章,发现了一种由转录因子的IDR区域的氨基酸重复序列的异常延伸导致的Transcriptional Condensates 的“Unblending”从而导致转录因子转录活性的下调,导致疾病发生发展的原因。为转录因子的氨基酸重复序列的异常延长的突变体相关的疾病的发病机制提供了全新的理解。

转录因子与Mediator通过液-液相分离形成的转录凝集体的失调导致相关疾病的发生

HOXD13基因中包含一个不完全的三核苷酸重复序列, 并编码一个由15个丙氨酸残基组成的多聚丙氨酸片段。多聚丙氨酸链的延展突变可导致先天性并多指(Synpolydactyly, SPD, MIM 186000)。因此, 作者从HOXD13基因入手,验证丙氨酸链的异常延伸是否会影响HOXD13的相分离,进而导致疾病的发生。

作者首先采用“optoDroplet”的方法,将WT 以及多聚丙氨酸链异常延伸的突变型的HOXD13 基因(后称 HOXD13突变体)的IDR区域在细胞内验证是否能够发生相分离。作者发现,HOXD13的IDR区域能够在细胞内发生相分离,同时,多聚丙氨酸链的延伸会显著地促进IDR 区域的相分离现象。作者在体外纯化了HOXD13的IDR区域以及HOXD13突变体的IDR区域,与细胞内类似,突变体能够显著促进相分离的发生。通过FRAP实验,证实了突变型的IDR区域的光漂白恢复显著变慢,因此作者推测,可能该突变会影响IDR区域相分离性质。

转录因子与Mediator通过液-液相分离形成的转录凝集体的失调导致相关疾病的发生

作者进一步检测这种WT以及HOXD13突变体是否能够与Mediator的组分“co-condensation ”,作者首先在体外使用纯化的蛋白,发现WT的HOXD13的IDR区域能够很好地与MED1-IDR Droplets共定位,但是HOXD13突变体的这种能力显著变弱,作者将这一现象称为“Condensate unblending ”。细胞水平的实验也证实,突变型的HOXD13与MED1等的Co-condensation现象明显减弱。因此,作者通过体内体外实验证实了突变型的HOXD13影响了HOXD13的相分离现象,并出现了与Mediator的相分离出现了“Condensate unblending ”现象。Luciferase实验证实,突变型的HOXD13转录活性显著降低,另外,通过ChIP-seq实验证实,这种转录活性的降低并不是由于突变型的HOXD13与DNA结合能力降低所致。

作者采用单细胞RNA-seq的方法检测了WT以及+7A Repeat-expanded Hoxd13 alleles的胚胎肢芽细胞,数据分析发现,在突变小鼠中,Interdigital mesenchymal cells 减少,而Proximal chondrocytes 增多,同时在突变小鼠中,关键的HOXD13的目的基因与细胞分化有关的基因表达水平显著降低,进而导致分化的障碍,并多指疾病的发生。同时,作者在在突变小鼠胚胎肢芽中使用STORM技术证实HOXD13与BRD4等的共定位显著降低。

转录因子与Mediator通过液-液相分离形成的转录凝集体的失调导致相关疾病的发生

作者研究上述发现是否能够扩展到其他的转录因子,作者通过实验验证了HOXA13,RUNX2,以及TBP都有类似的现象,即IDR区域的氨基酸异常重复会导致其相分离性质的改变,导致其与mediator的co-condasation发生变化,导致其转录活性的降低,目的基因转录水平的降低。另外,作者还通过生物信息学分析了人类的其他的含有IDR区域的转录因子,很多转录因子都具有类似的结构,因此作者推测,这种多聚丙氨酸的重复,会导致这些转录因子的相分离的“condensate unblending ”现象,从而导致其转录活性的降低,从而导致相关疾病的发生发展。

综上,作者发现了一些转录因子的IDR区域的氨基酸异常重复,会导致其相分离性质的改变,与mediator co-condense的能力减弱,转录活性的降低,从而导致相关疾病的发生发展。从全新的角度阐述了一些疾病的发生发展机制,为相关疾病治疗手段的开发提供了全新的思路。

转录因子与Mediator通过液-液相分离形成的转录凝集体的失调导致相关疾病的发生

原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.04.018

1.A. L. Darling, V. N. Uversky, Intrinsic Disorder in Proteins with Pathogenic Repeat Expansions. Molecules 22,  (2017).
2.A. R. La Spada, J. P. Taylor, Repeat expansion disease: progress and puzzles in disease pathogenesis. Nature reviews.Genetics 11, 247-258 (2010).
3.A. Albrecht, S. Mundlos, The other trinucleotide repeat: polyalanine expansion disorders. Current opinion in genetics & development 15, 285-293 (2005).
4.A. Boija et al., Transcription Factors Activate Genes through the Phase-Separation Capacity of Their Activation Domains. Cell 175, 1842-1855.e1816 (2018).
5.D. Hnisz, K. Shrinivas, R. A. Young, A. K. Chakraborty, P. A. Sharp, A Phase Separation Model for Transcriptional Control. Cell 169, 13-23 (2017).
6.H. Lu et al., Phase-separation mechanism for C-terminal hyperphosphorylation of RNA polymerase II. Nature 558, 318-323 (2018).
7.B. R. Sabari et al., Coactivator condensation at super-enhancers links phase separation and gene control. Science (New York, N.Y.) 361,  (2018).

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