熱休剋反應是生物體用來抵禦環境壓力、維持生命活動中蛋白質穩態至關重要的機製。熱休剋會導緻細胞內眾多蛋白質結構和功能損傷 而此時 譜繪細胞內的“冰與火之歌”：揭開HSF1調控熱休剋過程的神秘麵紗 - 趣味新聞網

熱休剋反應是生物體用來抵禦環境壓力、維持生命活動中蛋白質穩態至關重要的機製。熱休剋會導緻細胞內眾多蛋白質結構和功能損傷，而此時，細胞會啓動熱休剋應答快速錶達熱休剋蛋白，這些熱休剋蛋白可阻止蛋白質錯誤摺疊和聚集以響應升高的溫度和其他壓力觸發的蛋白質穩態失衡。

在劇烈的應激引起的熱休剋反應期間，熱休剋轉錄因子HSF1經曆瞭復雜的激活調控進而快速且廣泛的調控熱休剋蛋白的轉錄，然而，HSF1精確且復雜的調控過程仍然是神秘未知的。

2022年3月7日，北京大學孫育傑課題組與北京安貞醫院心肺研究所邵世鵬博士閤作，在Nature Cell Biology雜誌上在綫發錶題為“Reversible phase separation of HSF1 is required for an acute transcriptional response during heat shock”的文章。研究團隊綜閤使用超分辨顯微成像、體外重構和多組學等技術， 建立瞭一個精細調節HSF1相分離的模型 ，揭示瞭轉錄因子HSF1相分離在細胞快速應答熱激壓力下的作用機製，完善瞭熱休剋中HSPs基因錶達調控的模型 。

前奏：熱休剋驅動細胞內

HSF1應激顆粒的形成

生理條件下，HSF1與熱休剋蛋白以復閤物形式存在，此時的HSF1並不具備驅動轉錄的活性。細胞受到熱刺激後，熱休剋會誘導HSF1在細胞核內形成 應激顆粒/小體 （nuclear stress body，nSB），它們通常被視為熱休剋反應的指標。

然而，研究錶明，在哺乳動物細胞中的HSF1 nSB與HSP基因並不共定位[1]。相反，HSF1會驅動一類長的非編碼RNA（衛星III轉錄本）的轉錄，這同時阻隔瞭轉錄機器，進而誘導全局轉錄抑製[2]。此外，嚙齒動物細胞在熱休剋反應中HSF1並不形成nSB，但仍然可以激活HSP的錶達響應熱休剋[3]。

這些都錶明廣泛研究的HSF1 nSB不太可能是熱休剋期間發生的HSP基因劇烈轉錄激活的主要驅動因素。因此在nSB對HSP基因轉錄抑製情況存在的情況下，HSF1如何快速激活HSP的轉錄亟待研究。

主歌：小凝聚體的形成

為瞭探究HSF1在細胞核內的分布，作者利用隨機光學重建顯微鏡（STORM）技術量化瞭HSF1分子的空間分布。

結果錶明，在熱休剋條件下，HSF1分子在細胞核中同時形成nSB和 具有相分離特性的小凝聚體 （直徑，~300 nm），不同於與HSP基因無重疊的nSB，HSF1小凝聚體常與HSP基因位點共定位。

更進一步，基於熱休剋期間HSF1的翻譯後修飾（PTM）調控其轉錄活性的報道，作者通過構建一係列突變體和體外磷酸化HSF1，闡明瞭特定位點的PTM驅動HSF1相分離。

副歌：HSF1液-液相分離

促進熱休剋蛋白轉錄

為瞭進一步探究HSF1相分離對轉錄調控的影響，作者使用雙色超分辨成像發現HSF1招募轉錄機器共相分離，形成 轉錄活躍中心 。同時，使用Cut&Tag和高通量測序研究瞭HSF1液-液相分離對其靶嚮染色質的影響，繪製瞭不同條件下HSF1的全基因組結閤圖譜。最後，RNA測序與qPCR實驗結果共同支持HSF1的相分離在激活分子伴侶基因錶達中的關鍵作用。HSF1不僅在急性應激期間誘導分子伴侶錶達，還在病理狀態下廣泛調節其他基因的錶達，例如腫瘤和神經退行性疾病[4]。

有趣的是，作者發現腫瘤中激活狀態的HSF1不能發生相分離。而熱激過程中處於相分離狀態的HSF1不能激活腫瘤中HSF1的靶基因，錶明 細 胞在急性應激和慢性過程中通過不同的機製激活靶基因的錶達 。

HSF1可誘導和可逆相分離調控熱休剋過程中HSP基因轉錄 | 參考文獻[5]

橋段：HSP70負調控HSF1相分離

近幾年的研究逐步確立瞭相分離是激活基因錶達的一種有效機製，但對於該進程如何適時終止尚缺乏研究。

在細胞經曆熱休剋的過程中，HSF1儼然“冰與火之歌”中的“火龍”， 快速驅動熱休剋蛋白的錶達 。如同在《冰與火之歌》中龍母丹妮莉絲・坦格利安在長城之外率領三條巨龍解救瓊恩過程中，巨龍韋賽利昂被一記冰槍射中，醒來後，雙眼卻發齣瞭冰冷的藍光，那一刻，它從火龍幻化成瞭冰龍。 HSF1驅動錶達的熱休蛋白則是由火龍轉化而來的“冰龍” 。

與一觸即發的火龍與冰龍大戰相似，作者發現HSF1靶嚮激活錶達的分子伴侶HSP70可以負調控HSF1相分離，錶現為HSP70能減弱HSF1的液-液相分離，甚至可以阻止HSF1在延長的熱休剋過程中發生的液固相轉變，揭示瞭一個相分離調控基因錶達的反饋機製。

HSP70負調控HSF1相分離與火龍冰龍大戰相似 | 《冰與火之歌》

這項研究圍繞HSF1的可誘導和可逆相分離闡明瞭在熱休剋過程中轉錄調控的分子機製。該機製揭示瞭HSF1活性的動態調節過程，即在急性應激期間有效驅動HSPs基因轉錄並在熱休剋停止後適時終止轉錄，維持細胞內蛋白質穩態。基於HSF1的動態調控譜繪瞭細胞內的“冰與火之歌”。

緻謝

感謝孫育傑研究員對本文的支持。

參考文獻

[1] Cotto, J., Fox, S. & Morimoto, R. HSF1 granules: a novel stress-induced nuclear compartment of human cells. J Cell Sci 110, 2925-2934, doi:10.1242/jcs.110.23.2925 (1997).

[2] Goenka, A. et al. Human satellite-III non-coding RNAs modulate heat-shock-induced transcriptional repression. J Cell Sci 129, 3541-3552, doi:10.1242/jcs.189803 (2016).

[3] Denegri, M. et al. Human chromosomes 9, 12, and 15 contain the nucleation sites of stress-induced nuclear bodies. Mol Biol Cell 13, 2069-2079, doi:10.1091/mbc.01-12-0569 (2002).

[4] Gomez-Pastor, R., Burchfiel, E. T. & Thiele, D. J. Regulation of heat shock transcription factors and their roles in physiology and disease. Nat Rev Mol Cell Biol 19, 4-19, doi:10.1038/nrm.2017.73 (2018).

[5] Zhang, H., Shao, S., Zeng, Y. et al. Reversible phase separation of HSF1 is required for an acute transcriptional response during heat shock. Nat Cell Biol (2022). https://doi.org/10.1038/s41556-022-00846-7

作者：zhangonline

編輯：酥魚

排版：尹寜流

題圖來源：《冰與火之歌》

研究團隊

（共同）通訊作者 孫育傑: 膜生物學國傢重點實驗室、北京大學生物醫學前沿創新中心（BIOPIC）、北京大學未來技術學院國傢生物醫學成像科學中心研究員。

（共同）通訊作者 邵世鵬：四川大學生物工程學士畢業，北京大學生物學博士畢業，北京大學博雅博士後，現為北京安貞醫院心肺研究所助理研究員。

（共同）第一作者 張宏晨：北京大學博士研究生。

（共同）第一作者 邵世鵬：北京安貞醫院博士。

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