生物大分子“液–液相分離”調(diào)控染色質(zhì)三維空間結(jié)構(gòu)和功能

高曉萌，張治華

綜述

生物大分子“液–液相分離”調(diào)控染色質(zhì)三維空間結(jié)構(gòu)和功能

高曉萌1,2，張治華1,2

1. 中國(guó)科學(xué)院北京基因研究所, 基因組科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 北京 100049

生物大分子的相分離聚集(簡(jiǎn)稱相分離)是驅(qū)動(dòng)細(xì)胞內(nèi)無膜細(xì)胞器形成的主要機(jī)制，參與眾多生物學(xué)過程并和多種人類疾病密切相關(guān)，如神經(jīng)退行性疾病等。近年來，研究人員圍繞相分離現(xiàn)象的分子機(jī)制和生物學(xué)功能，發(fā)現(xiàn)了相分離與信號(hào)傳導(dǎo)、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)、基因表達(dá)、轉(zhuǎn)錄調(diào)控等一系列生物學(xué)過程存在緊密關(guān)聯(lián)，為理解細(xì)胞命運(yùn)決定和疾病發(fā)生提供了新的視角，為疾病治療和新藥研發(fā)開辟了新的可能途徑。本文在回顧了相分離研究的發(fā)展過程、相分離現(xiàn)象在生物學(xué)中的應(yīng)用，以及相分離與疾病的關(guān)系的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了近年來相分離與染色質(zhì)結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)方面的研究突破，包括相分離如何感知并重塑染色質(zhì)結(jié)構(gòu)、超級(jí)增強(qiáng)子如何通過相分離調(diào)節(jié)基因表達(dá)、共轉(zhuǎn)錄激活因子如何通過相分離參與基因表達(dá)調(diào)控等，以期為進(jìn)一步理解相分離與染色質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的關(guān)系提供參考。

相分離；染色質(zhì)結(jié)構(gòu)；基因表達(dá)；轉(zhuǎn)錄調(diào)控；疾病

細(xì)胞發(fā)達(dá)的內(nèi)膜系統(tǒng)將細(xì)胞內(nèi)部劃分成許多功能區(qū)塊，形成具有各種特定功能的細(xì)胞器。除了這類具膜細(xì)胞器之外，細(xì)胞內(nèi)還存在許多無膜細(xì)胞器，如中心體(centriole)、應(yīng)力顆粒(stress granules)、核小斑點(diǎn)(nuclear speckles)等[1]。研究表明，生物大分子的相分離(phase separation)凝聚是驅(qū)動(dòng)無膜細(xì)胞器形成的主要機(jī)制[2]。物質(zhì)的相分離是在自然界中普遍存在的物理現(xiàn)象，通常指的是在均勻的混合液/氣態(tài)物質(zhì)中自發(fā)形成的不同相。在體外，相分離是可逆的，受到諸如溫度、離子強(qiáng)度、翻譯后修飾等物理或化學(xué)因素的影響，從而形成或者解離液滴[3]。在體內(nèi)相分離通常是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，并且通常指的是“液–液相分離”(liquid-liquid phase separation)，在不引起歧義的情況下，以下簡(jiǎn)稱相分離。

2009年，德國(guó)馬普研究所Tony Hyman教授與其博士后研究員Cliff Brangwynne發(fā)現(xiàn)線蟲()胚胎中的RNA和包含蛋白質(zhì)的結(jié)合體P顆粒(P granules)實(shí)際上是由蛋白質(zhì)通過相分離形成的凝聚小球[4]。體外實(shí)驗(yàn)顯示，在過飽和溶液中會(huì)自發(fā)地分成一種濃相和一種稀相并且穩(wěn)定地共存。2011年，該實(shí)驗(yàn)室對(duì)核仁進(jìn)行了類似的研究，證實(shí)了相分離是核仁發(fā)生的基礎(chǔ)[5]。此后，研究人員開始對(duì)細(xì)胞中的相分離現(xiàn)象進(jìn)行廣泛而深入的研究。細(xì)胞內(nèi)的相分離是由弱多價(jià)相互作用引起的，通常由內(nèi)在無序蛋白質(zhì)、內(nèi)在無序區(qū)域或者低序列復(fù)雜結(jié)構(gòu)域介導(dǎo)[6~8]?；蚪M的活性與相分離現(xiàn)象有關(guān)，相分離發(fā)生部位通常與染色質(zhì)密度較低區(qū)域相關(guān)聯(lián)。越來越多的研究表明相分離現(xiàn)象對(duì)細(xì)胞核的染色質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的組織調(diào)控非常重要。而染色質(zhì)的組織結(jié)構(gòu)是細(xì)胞核內(nèi)生命活動(dòng)，包括基因表達(dá)、DNA復(fù)制、損傷修復(fù)、基因組穩(wěn)定性以及轉(zhuǎn)座子沉默等的基本物理平臺(tái)[9]，因此，探究相分離現(xiàn)象與染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系具有重要的意義。本文從相分離的形成、生物學(xué)意義以及相分離與染色質(zhì)空間結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)錄調(diào)控的關(guān)系入手，結(jié)合最前沿的研究進(jìn)展，介紹了相分離研究在當(dāng)前生物學(xué)研究中的重大突破，為全面了解相分離研究領(lǐng)域提供參考。

1 相分離現(xiàn)象及實(shí)驗(yàn)檢測(cè)

1.1 相分離的形成

2009年，Brangwynne 等[4]在研究秀麗隱桿線蟲中無膜P顆粒的形成過程時(shí)，發(fā)現(xiàn)其具備以下特征：P顆粒游離狀態(tài)下為球形，附著在細(xì)胞核表面時(shí)為非球形，顆粒間有明顯的邊界；在壓力狀態(tài)下可以流動(dòng)，并可由小液滴融合形成大的液滴；P顆粒具有很強(qiáng)的黏性和表面張力；光脫色熒光恢復(fù)實(shí)驗(yàn)表明P顆粒內(nèi)部分子可與外部溶液中的分子快速交換。結(jié)合其他生物分子凝聚體與P顆粒的相似特征，推測(cè)這是一種相分離現(xiàn)象。

生物大分子可以通過多價(jià)相互作用形成液-液相分離(圖1)[8]。多價(jià)相互作用是指一個(gè)多價(jià)配體與一個(gè)或多個(gè)功能親和(表觀親和)增強(qiáng)的受體結(jié)合并協(xié)同作用的過程。細(xì)胞內(nèi)生物大分子的多價(jià)相互作用形成方式主要包括線性重復(fù)功能性的結(jié)構(gòu)域、寡聚化蛋白和多個(gè)位點(diǎn)蛋白的表觀修飾(磷酸化、甲基化、乙酰化和泛素化等)[10]。內(nèi)在無序蛋白(intrin-sically disordered proteins)或內(nèi)在無序區(qū)域(intrin-sically di-sordered regions)是一種重要的多價(jià)相互作用來源。內(nèi)在無序蛋白和內(nèi)在無序區(qū)域與相分離的形成密切相關(guān)，其磷酸化會(huì)導(dǎo)致凝聚物的降解。很多內(nèi)在無序蛋白和內(nèi)在無序區(qū)域都含有低序列復(fù)雜結(jié)構(gòu)域(low-complexity domains)。低序列復(fù)雜結(jié)構(gòu)域通常僅富集Gly、Ser、Tyr和Gln等殘基類型，即具有強(qiáng)氨基酸偏好性和自我維持聚集潛力[11,12]。這種序列特性賦予其特殊的生物化學(xué)與生物物理性質(zhì)。例如，朊病毒樣結(jié)構(gòu)域是一種富含不帶電極性氨基酸的低序列復(fù)雜結(jié)構(gòu)域，具有自組裝和形成凝聚物的趨勢(shì)[13]。朊病毒樣結(jié)構(gòu)域富含參與生理相分離和病理蛋白聚集的蛋白。與其他蛋白質(zhì)相比，內(nèi)在無序蛋白和內(nèi)在無序區(qū)域缺乏明確的蛋白質(zhì)折疊構(gòu)象，具有高度的靈活性，從而違背了經(jīng)典的結(jié)構(gòu)-功能范式，這種結(jié)構(gòu)可塑性使它們能夠動(dòng)態(tài)地采用不同的構(gòu)象，并經(jīng)歷混雜的多價(jià)形式和異型相互作用[8]。在體外實(shí)驗(yàn)中，低序列復(fù)雜結(jié)構(gòu)域當(dāng)與它們的多價(jià)同源配體混合時(shí)，可以發(fā)生寡聚和相分離，如低序列復(fù)雜結(jié)構(gòu)域中的RNA結(jié)合域會(huì)與重復(fù)RNAs結(jié)合發(fā)生寡聚作用[14,15]。內(nèi)在無序區(qū)域還可以通過靜電、極性和疏水作用以及產(chǎn)生淀粉樣纖維和其他潛在玻璃結(jié)構(gòu)相互作用等模式來實(shí)現(xiàn)自締結(jié)[7]。

圖1 相分離現(xiàn)象形成過程

1.2 相分離的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)

體外的相分離現(xiàn)象可以使用普通的光學(xué)顯微鏡觀察。發(fā)生相分離的體系具有溶液從澄清變渾濁的特點(diǎn)，在鏡檢中可見油滴狀顆粒。目前被廣為接受的相分離檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)是：形成球狀液滴結(jié)構(gòu)的生物分子凝聚體；液滴具有流動(dòng)性，可以發(fā)生融合現(xiàn)象；使用光脫色熒光恢復(fù)技術(shù)(fluorescence recovery after photobleaching)，可見熒光漂白恢復(fù)。建立可操控的體內(nèi)相分離體系是相關(guān)研究的基礎(chǔ)。CasDrop系統(tǒng)(圖2)是由普林斯頓大學(xué)Brangwynne實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的基于Cas9基因編輯技術(shù)的細(xì)胞內(nèi)相分離系統(tǒng)[16]。該系統(tǒng)由3部分組成：(1) SunTag標(biāo)記的dCas9蛋白, 用于將體系錨定到特定的基因位點(diǎn)；(2) scFv標(biāo)記的ST同源物、sfGFP和光發(fā)生二聚蛋白iLID，用于構(gòu)建光敏的多聚體。前兩種結(jié)構(gòu)可以自組裝成一個(gè)多聚體蛋白復(fù)合物(dCas9-ST-GFP-iLID)，從而實(shí)現(xiàn)位點(diǎn)的可視化，同時(shí)為招募各種蛋白復(fù)合物(包括包含內(nèi)在無序區(qū)域的蛋白)提供了光誘導(dǎo)的結(jié)合支架； (3) sspB標(biāo)記的目的蛋白內(nèi)在無序區(qū)域區(qū)域，用于檢測(cè)相變行為。當(dāng)sgRNA表達(dá)時(shí)，scFv-GFP-iLID蛋白被SunTag募集到SunTag-dCas9結(jié)合的基因位點(diǎn)處，形成dCas9-ST-GFP-iLID蛋白的多聚體；當(dāng)sgRNA不表達(dá)時(shí)，dCas9-ST-GFP-iLID蛋白在胞內(nèi)則成彌散狀。在藍(lán)光刺激下，sspB結(jié)合到iLID上，目的蛋白內(nèi)在無序區(qū)域相分離使得液滴快速凝結(jié)，頻繁合成。該體系可以定量、定位地研究多種蛋白的相分離現(xiàn)象。

2 生命體內(nèi)的相分離及生物意義

2.1 相分離調(diào)節(jié)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

由于相分離形成蛋白質(zhì)分子的聚集，使得它在信號(hào)傳導(dǎo)過程中起到重要作用。例如，Ras蛋白是在真核細(xì)胞中對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)和信號(hào)傳導(dǎo)發(fā)揮著重要作用的因子，T細(xì)胞使用Ras作為發(fā)起保護(hù)性反應(yīng)的入侵者報(bào)警通道的分子開關(guān)。Ras蛋白的激活需要通過相分離形成的凝聚液滴維持充分的反應(yīng)時(shí)間[17]。T細(xì)胞與Ras的相互作用依賴于LAT、GRB2和SOS三種中間蛋白而起作用[18]。其中SOS是一種重要的Ras激活劑，它通過GRB2蛋白招募并激活膜上受體蛋白，隨后激活Ras蛋白[19]。膜信號(hào)受體的激活促進(jìn)LAT磷酸化，生成的多價(jià)磷酸化酪氨酸位點(diǎn)作為GRB2的結(jié)合位點(diǎn)招募GRB2[20]。LAT-GRB2-SOS復(fù)合體通過相分離在膜上形成二維生物分子凝聚液滴或凝膠[21,22]，從而增加了SOS在細(xì)胞膜上停留時(shí)間。研究人員通過設(shè)計(jì)體外重組試驗(yàn)測(cè)量單SOS分子的膜招募動(dòng)力學(xué)和Ras激活動(dòng)力學(xué)，使用顯微鏡來觀察膜上的T細(xì)胞受體請(qǐng)求單個(gè)SOS分子活化時(shí)，發(fā)現(xiàn)SOS不會(huì)立即響應(yīng)，而是等待10~30 s才進(jìn)入活性狀態(tài)并發(fā)揮作用，因此由于相分離現(xiàn)象導(dǎo)致的SOS膜結(jié)合時(shí)間增加可以促進(jìn)Ras蛋白完全激活[17]。

圖2 CasDrop相分離檢測(cè)系統(tǒng)

根據(jù)文獻(xiàn)[16]修改繪制。

2.2 相分離幫助細(xì)胞適應(yīng)環(huán)境

相分離對(duì)生理環(huán)境中的微小變化(pH改變等)非常敏感，因此相分離為細(xì)胞感知環(huán)境變化提供了一種高效的方式[3]。例如，朊蛋白樣結(jié)構(gòu)域可以感知環(huán)境條件的變化，通過改變相分離的狀態(tài)，保護(hù)細(xì)胞內(nèi)的生物活動(dòng)[6,23]。出芽酵母的翻譯終止因子Sup35是一種典型的朊病毒蛋白。細(xì)胞內(nèi)一組帶負(fù)電荷的氨基酸可感知環(huán)境的pH變化，通過pH誘導(dǎo)，Sup35經(jīng)過液相分離形成一種保護(hù)性蛋白凝膠。相分離受到相鄰兩個(gè)應(yīng)激傳感器(即朊蛋白樣結(jié)構(gòu)域)的調(diào)節(jié)。這種朊蛋白樣結(jié)構(gòu)域之間的協(xié)同作用使得翻譯終止因子Sup35在應(yīng)激期間快速地形成保護(hù)性凝聚物。缺乏朊病毒樣結(jié)構(gòu)域的細(xì)胞在從應(yīng)激狀態(tài)恢復(fù)時(shí)表現(xiàn)出翻譯活性受損和生長(zhǎng)缺陷。朊蛋白樣結(jié)構(gòu)域改變了Sup35的鳥苷三磷酸酶結(jié)構(gòu)域的不可逆聚集狀態(tài)，從而確保這種翻譯終止因子在惡劣的環(huán)境條件下保持功能[24]?？傊琒up35的朊蛋白樣結(jié)構(gòu)域是一種受到高度調(diào)節(jié)的分子裝置，具有感知和響應(yīng)細(xì)胞內(nèi)物理化學(xué)變化的能力,允許細(xì)胞對(duì)特定的環(huán)境條件作出反應(yīng)。

2.3 相分離與疾病

相分離和多種疾病相關(guān)。細(xì)胞內(nèi)相分離傾向于凝聚蛋白質(zhì)，該過程伴隨著潛在的危險(xiǎn)。蛋白質(zhì)濃度過高往往會(huì)引起聚合反應(yīng)或發(fā)生堵塞，形成固體凝膠甚至晶體，不再為細(xì)胞內(nèi)化學(xué)反應(yīng)提供必要的環(huán)境。由于在神經(jīng)退行性疾病中經(jīng)常發(fā)生病變的幾個(gè)關(guān)鍵蛋白是無膜細(xì)胞器的組成部分，因此，這些裝配體在形成、維持或清除方面的失調(diào)就可能導(dǎo)致疾病的發(fā)生[11,25]。例如，許多神經(jīng)退行性疾病的特征都包含大量致病蛋白的聚集，比如阿爾茨海默癥(Alzheimer’s disease, AD)中的淀粉樣蛋白和tau蛋白的聚集[26]，帕金森綜合征(Parkinson’s disease, PD)中的突觸核蛋白斑塊[27]，或者肌萎縮側(cè)索硬化癥(amyotrophic lateral sclerosis, ALS)中的斑塊[28]?；虻南嚓P(guān)突變可以促進(jìn)這種液體到固體的相分離。例如，F(xiàn)US的朊病毒樣結(jié)構(gòu)域內(nèi)的G156E突變最近被證明可以加速從液滴到蛋白質(zhì)捕獲纖維水凝膠和神經(jīng)毒性蛋白聚集物的轉(zhuǎn)變[29,30]，而hnRNPA2B和hnRNPA1的類朊病毒樣結(jié)構(gòu)域發(fā)生致病突變，加劇了蛋白內(nèi)在聚集趨勢(shì)，形成自種原纖維，從而促進(jìn)細(xì)胞聚集體的形成[31]。當(dāng)這些突變存在于內(nèi)在無序區(qū)的β拉鏈結(jié)構(gòu)域時(shí)，其更加傾向于折疊為穩(wěn)定的類淀粉蛋白結(jié)構(gòu)[32]。致病突變還可以通過產(chǎn)生異常的蛋白質(zhì)或RNA來影響相分離。例如，由FUS (TLS)、EWS (EWSR1)和TAF15組成的FET蛋白家族，參與RNA存儲(chǔ)位點(diǎn)的相變[33]，并通過RNA刺激的過程組裝成高階結(jié)構(gòu)[34,35]，這些功能在人類受損從而造成疾病。RNA重復(fù)序列擴(kuò)增也會(huì)導(dǎo)致功能異常，重復(fù)的RNA位點(diǎn)可以捕獲RNA結(jié)合蛋白導(dǎo)致其功能喪失。研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一些RNA重復(fù)序列可以進(jìn)行翻譯過程[36]，如肌萎縮側(cè)索硬化癥致病重復(fù)序列GGGGCC可以產(chǎn)生不同的二肽重復(fù)，其中的甘氨酸–精氨酸、脯氨酸–精氨酸二肽重復(fù)序列定位于不同的無膜細(xì)胞器[37]。線粒體功能紊亂也會(huì)促進(jìn)衰老和神經(jīng)退化性疾病的發(fā)生，它可能導(dǎo)致ATP水平下降[38]。有證據(jù)表明，細(xì)胞ATP可以作為化學(xué)助溶物直接阻止相分離和聚合。因此在老化和疾病中，線粒體呼吸功能的缺陷可能促進(jìn)蛋白質(zhì)聚集。

近年來，很多研究人員開始探討癌癥與相分離之間的關(guān)系。腫瘤抑制因子SPOP突變可導(dǎo)致前列腺、乳腺和其他實(shí)體腫瘤[39]。SPOP是cullin3環(huán)泛素連接酶的底物的配體，定位于核斑點(diǎn)處[40]。癌癥相關(guān)的SPOP突變會(huì)干擾連接酶底物募集，底物在體外可觸發(fā)SPOP的相分離和細(xì)胞內(nèi)無膜細(xì)胞器的共定位。酶活性與細(xì)胞共定位和體外中尺度的SPOP-底物組裝形成有關(guān)。疾病相關(guān)的SPOP突變可導(dǎo)致原癌蛋白的積累，從而干擾無膜細(xì)胞器的相分離和共定位，這表明該E3連接酶的底物相分離是泛素依賴蛋白穩(wěn)定的再泛素化的基礎(chǔ)[41]。在某些癌癥中[42]，易位會(huì)破壞FET蛋白的低復(fù)雜度區(qū)域，從而改變?nèi)诤系鞍椎暮怂峤Y(jié)合特性。

以上簡(jiǎn)單介紹了相分離與疾病之間的重要關(guān)系，但是相分離的很多具體的致病機(jī)理還不是非常明確。研究人員發(fā)現(xiàn)染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)與相分離有關(guān)，研究相分離與基因組結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系有助于人們進(jìn)一步揭示相分離的致病機(jī)理。

2.4 相分離的其他生物學(xué)功能

相分離因?yàn)閷⑴c相變的分子進(jìn)行了局部濃縮，提高了細(xì)胞內(nèi)關(guān)鍵酶或蛋白復(fù)合物的局部濃度，所以在細(xì)胞內(nèi)，相分離還具有促進(jìn)信號(hào)傳導(dǎo)[5]等生化反應(yīng)過程、介導(dǎo)蛋白質(zhì)定位和隔離分子防止反應(yīng)失活等諸多作用[43]。隨著研究手段的進(jìn)步，更多的相分離生物學(xué)功能正在逐漸被解釋出來。

3 相分離與染色質(zhì)結(jié)構(gòu)

3.1 染色質(zhì)結(jié)構(gòu)

染色質(zhì)是細(xì)胞核內(nèi)生命活動(dòng)的物質(zhì)環(huán)境，染色質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)和細(xì)胞核內(nèi)的諸多生命過程息息相關(guān)。在高通量基因組測(cè)序技術(shù)高速發(fā)展的推動(dòng)下，以染色質(zhì)免疫共沉淀測(cè)序(chromatin immunoprecipitation sequencing, ChIP-seq)[44,45]、高通量染色質(zhì)構(gòu)象捕獲測(cè)序(high input chromosome conformation capture, Hi-C)[46,47]和轉(zhuǎn)座酶可接近性核染色質(zhì)序列測(cè)序(assayfor transposase accessible chromatin, ATAC-seq)[48,49]等技術(shù)為代表的一系列技術(shù)推動(dòng)了染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的研究迅速發(fā)展。近年來，研究人員發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞核內(nèi)不僅有大量相分離現(xiàn)象的存在，并且相分離現(xiàn)象與染色質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)具有重要的聯(lián)系。2019年，Gibson等[50]甚至發(fā)現(xiàn)，在體外純化的串聯(lián)核小體可以通過其核心蛋白內(nèi)的無序區(qū)域間的多價(jià)相互作用形成相分離凝聚，并且在組蛋白H1的幫助下，這一相分離凝聚可以更加高效的發(fā)生。由于核小體的串聯(lián)是染色質(zhì)的最基本結(jié)構(gòu)單元，這一發(fā)現(xiàn)為細(xì)胞核中染色質(zhì)的整體結(jié)構(gòu)形成提供了一個(gè)“基態(tài)”。也就是說，更精細(xì)的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)形成很可能是在這一相分離凝聚體之上發(fā)生的[50]。這一發(fā)現(xiàn)同時(shí)對(duì)常見的染色質(zhì)多聚體物理模型提出了挑戰(zhàn)[51]。

3.2 相分離感知并重塑染色質(zhì)結(jié)構(gòu)

相分離感知并重塑染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究工作目前主要是Brangwynne實(shí)驗(yàn)室利用其所建立的CasDrop系統(tǒng)通過對(duì)FUS、BRD4和TAF15蛋白的研究做出的。他們的研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)在無序區(qū)域組裝而成的凝聚體具有廣泛的序列特征，它們不僅在低密度染色質(zhì)區(qū)域優(yōu)先成凝聚核，而且在成核和生長(zhǎng)過程中會(huì)排斥該區(qū)域的染色質(zhì)[52]。首先，3種蛋白均可在CasDrop系統(tǒng)誘導(dǎo)下發(fā)生“液–液相分離”現(xiàn)象，其中BRD4中的一個(gè)長(zhǎng)內(nèi)在無序區(qū)域BRD4ΔN形成液滴的能力最強(qiáng)。其次，以H2B-miRFP670熒光強(qiáng)度作為測(cè)定染色質(zhì)密度的指標(biāo)，測(cè)定相分離液滴在液滴凝聚前后以及整個(gè)細(xì)胞核中染色質(zhì)的密度分布。通過比較發(fā)現(xiàn)，在液滴區(qū)域，H2B強(qiáng)度的分布明顯低于整個(gè)核中H2B的分布，并且H2B-miRFP670在相變處的熒光強(qiáng)度隨時(shí)間延長(zhǎng)而逐步下降。這暗示著，隨著液滴的增長(zhǎng)，液滴所在區(qū)域的染色質(zhì)會(huì)被推出該區(qū)域。與此相一致的是，細(xì)胞核內(nèi)的無膜結(jié)構(gòu)，像核仁、Cajal體和PML體等也傾向于在染色質(zhì)低密度區(qū)域形成[53]。

為進(jìn)一步研究為什么傾向于排斥染色質(zhì)的液滴會(huì)在低染色質(zhì)密度區(qū)域優(yōu)先生成，Shin等[16]建立了凝聚物與可變形染色質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的力學(xué)相互作用的數(shù)學(xué)模型，液滴成核時(shí)的自由能損耗?F可通過下式描繪：

其中R、、?、Cdrop和G分別代表液滴半徑、液滴表面張力、過飽和溶液中分子與液滴相的化學(xué)勢(shì)差、液滴內(nèi)分子的飽和濃度、形變區(qū)域的楊氏(Young’s)彈性模量。

該模型認(rèn)為較小液滴在所有染色質(zhì)密度區(qū)域都可以形成，當(dāng)液滴增大到光學(xué)顯微鏡可分辨大小時(shí)則傾向于在染色質(zhì)密度低的區(qū)域形成。在染色質(zhì)密度足夠的區(qū)域，機(jī)械變形能阻止液滴的生長(zhǎng)超過臨界尺寸。利用CasDrop體系觀察了BRD4在微衛(wèi)星序列區(qū)、端粒和致密異染色質(zhì)區(qū)的相分離現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)BRD4在染色質(zhì)低密度區(qū)域能夠被誘導(dǎo)形成液滴，而在染色質(zhì)高密度區(qū)，BRD4的液滴則僅在其周圍形成液滴。當(dāng)CasDrop體系將BRD4的液滴錨定在異染色質(zhì)區(qū)域內(nèi)HP1α密度相對(duì)較低的區(qū)域時(shí)，隨著液滴的增大，HP1α被逐步剔除出該區(qū)域；而部分增大的BRD4液滴則可以擾亂異染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)，使得該區(qū)域形成染色質(zhì)密度下降。這些發(fā)現(xiàn)表明在相變發(fā)生的過程中，其周圍的染色質(zhì)提供了一定的機(jī)械阻力。

相分離形成的液滴對(duì)染色質(zhì)具有排斥作用，導(dǎo)致染色質(zhì)結(jié)構(gòu)重塑；同時(shí)，染色質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)相分離現(xiàn)象也有一定的影響，相分離液滴傾向于在染色質(zhì)結(jié)構(gòu)疏松、低密度區(qū)域形成，周圍染色質(zhì)對(duì)液滴的形成具有一定的機(jī)械阻力。相分離的這些性質(zhì)被總結(jié)為一個(gè)染色質(zhì)過濾模型，即結(jié)合在特定基因位點(diǎn)的蛋白質(zhì)的相分離能夠?qū)⒕嚯x較遠(yuǎn)的基因拉近，且排斥不含結(jié)合位點(diǎn)的基因區(qū)域。這保證了超級(jí)轉(zhuǎn)錄因子在染色質(zhì)結(jié)構(gòu)疏松的區(qū)域的聚積、對(duì)染色質(zhì)的折疊、和促進(jìn)活躍基因的表達(dá)。

要推動(dòng)全面清理不利于民營(yíng)企業(yè)發(fā)展的法律法規(guī)和規(guī)范性文件。統(tǒng)籌協(xié)調(diào)正在開展的相關(guān)法律法規(guī)清理工作，推動(dòng)在2018年年底前集中清理現(xiàn)行法律法規(guī)和規(guī)范性文件中有悖于平等保護(hù)原則、不利于民營(yíng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的相關(guān)內(nèi)容，打破各種“卷簾門”“玻璃門”“旋轉(zhuǎn)門”。進(jìn)一步加強(qiáng)法規(guī)規(guī)章備案審查，及時(shí)糾正有悖于保護(hù)民營(yíng)經(jīng)濟(jì)的法規(guī)規(guī)章規(guī)定，積極為民營(yíng)企業(yè)發(fā)展提供平等法治保障。

3.3 相分離驅(qū)動(dòng)異染色質(zhì)區(qū)域的形成

組成型異染色質(zhì)是真核生物基因組的重要組成部分，在細(xì)胞核結(jié)構(gòu)、DNA修復(fù)、基因組穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)座子沉默以及基因表達(dá)中起著重要作用[9]。一個(gè)異染色質(zhì)形成模型認(rèn)為HP1α蛋白發(fā)生液-液相分離，形成容納染色質(zhì)而排斥RNA聚合酶等分子的液相穩(wěn)定區(qū)室，是異染色質(zhì)形成的第一步，并通過對(duì)果蠅、小鼠的體內(nèi)體外實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。果蠅HP1α蛋白尾部富集內(nèi)在無序域和低復(fù)雜結(jié)構(gòu)域。為確定HP1α蛋白是否可以在體外發(fā)生相分離，研究人員純化了果蠅HP1α蛋白，發(fā)現(xiàn)在22℃、高蛋白濃度和低鹽狀態(tài)下，HP1α的水溶液自動(dòng)分解形成液滴并在37℃時(shí)溶解。為探究相分離現(xiàn)象與體內(nèi)異染色質(zhì)現(xiàn)象的相關(guān)性，研究人員分析了早期果蠅胚胎異染色質(zhì)形成的第一階段，發(fā)現(xiàn)異染色質(zhì)在受精后第11~13個(gè)核周期開始形成，但直到第14個(gè)周期才成熟為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)域。在每一個(gè)周期中GFP-HP1α都表現(xiàn)出與相分離的液相區(qū)相關(guān)聯(lián)的成核、生長(zhǎng)和聚變相關(guān)的動(dòng)態(tài)變化。在第13~14個(gè)周期早期胚胎中，HP1α液滴在融合后聚集并保持圓形。隨著第14個(gè)周期的進(jìn)展，其圓度較低。通過光漂白后熒光恢復(fù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量10~14個(gè)周期和原腸胚形成后的HP1α蛋白活動(dòng)和靜止的組分比率，表明液滴圓度的喪失伴隨著HP1α靜止組分的顯著增加，由此推測(cè)這可能是HP1α與染色質(zhì)聚合物的結(jié)合程度增多的結(jié)果[52]。

大分子間弱疏水相互作用可以促進(jìn)相分離。例如，在果蠅S2和小鼠NIH3T3細(xì)胞中加入1,6-己二醇(特異性破壞疏水相互作用力)，培養(yǎng)2 min后，HP1在異染色質(zhì)區(qū)明顯但不完全分散；去除1,6-己二醇區(qū)域內(nèi)的HP1富集部分恢復(fù)。與野生型對(duì)照組相比，含有破壞二聚作用(1191E)或非組蛋白結(jié)合體(W200A)的點(diǎn)突變的GFP-HP1α蛋白的遷移率顯著增加。這一體外實(shí)驗(yàn)說明，成熟異染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域的完整性依賴于弱疏水相互作用，而二聚作用和與非組蛋白結(jié)合體的相互作用有助于HP1的固定，由此推斷成熟異染色質(zhì)形成與相分離有關(guān)并且包括固定(靜態(tài))和移動(dòng)(液態(tài)) HP1α區(qū)域。為進(jìn)一步驗(yàn)證通過相分離產(chǎn)生異染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域的假設(shè)，研究人員詳細(xì)分析了這些結(jié)構(gòu)域內(nèi)外的HP1α動(dòng)態(tài)變化。數(shù)據(jù)表明HP1α和其他異染色質(zhì)蛋白在相界面上協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。在果蠅和哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，HP1α的動(dòng)態(tài)變化與包含異染色質(zhì)蛋白的相分離成分動(dòng)態(tài)變化一致。通過果蠅S2細(xì)胞HP1α去除實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)GFP-HP1α失去協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)并在細(xì)胞內(nèi)呈分散狀態(tài)。

基于一系列體內(nèi)和體外數(shù)據(jù)的組合，研究人員提出一個(gè)由相分離驅(qū)動(dòng)異染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域形成的模型，從整體上將異染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域的涌現(xiàn)特性與局部分子相互作用聯(lián)系起來。該模型認(rèn)為異染色質(zhì)的形成始于相分離的成核。起初，所有的HP1α都是可自由移動(dòng)的，通過多個(gè)HP1分子與其他異染色質(zhì)組分之間形成多價(jià)、弱疏水相互作用，開始形成原始液滴。隨著時(shí)間的推移，這些液滴發(fā)生了生長(zhǎng)。在此期間，球型液滴通過招募更多的HP1α和變粗而變得更大，一些HP1α移動(dòng)性喪失。HP1α液滴圓度的喪失隨著固定的、染色質(zhì)結(jié)合的HP1α的增加而降低，從而形成由液體和穩(wěn)定的腔室組成的成熟異染色質(zhì)區(qū)域[52]。

3.4 形成染色質(zhì)亞區(qū)室(subcompartement)的相分離機(jī)制

真核細(xì)胞中染色質(zhì)可被劃分為生物學(xué)功能不同的亞區(qū)室，關(guān)于亞區(qū)室形成方式有兩種不同的基于相分離的解釋。一個(gè)是交聯(lián)不同染色質(zhì)區(qū)段的染色質(zhì)相關(guān)蛋白可以誘導(dǎo)聚合物–聚合物相分離，它產(chǎn)生一個(gè)有序的折疊小球[54]；另一個(gè)是染色質(zhì)相關(guān)蛋白與蛋白通過多價(jià)相互作用促進(jìn)液-液相分離的發(fā)生[3]。

聚合物–聚合物相分離機(jī)制基于可溶性橋連因子的結(jié)合，這些橋因子組裝成類似于一個(gè)塌陷的聚合物球的動(dòng)態(tài)交聯(lián)的染色質(zhì)支架。在分子水平上，橋接和染色質(zhì)環(huán)的形成可以通過核小體間相互作用介導(dǎo)。由于染色質(zhì)相關(guān)蛋白和轉(zhuǎn)錄因子含有兩個(gè)或多個(gè)染色質(zhì)、DNA識(shí)別結(jié)構(gòu)域，因此具有橋聯(lián)不同核小體的潛力[55]。橋接可以驅(qū)動(dòng)相應(yīng)染色質(zhì)區(qū)域與不同類型的橋接因子相互作用的相分離。

液–液相分離驅(qū)動(dòng)相分離主要通過多價(jià)相互作用形成液滴，并圍繞染色質(zhì)上的各個(gè)結(jié)合位點(diǎn)組裝成亞區(qū)室。聚合物–聚合物相分離中的橋接作用可能間接地產(chǎn)生于多價(jià)結(jié)合染色質(zhì)之間的相互作用。因此，盡管在不同的分子基礎(chǔ)上，聚合物–聚合物相分離和液–液相分離原則上都可以促進(jìn)緊湊染色質(zhì)組分的形成，通過聚合物–聚合物相分離形成的亞區(qū)室嚴(yán)格依賴于染色質(zhì)支架，在沒有染色質(zhì)的情況下會(huì)進(jìn)行拆卸，而通過液–液相分離形成的亞區(qū)可以獨(dú)立于染色質(zhì)支架而存在。

4 相分離和基因表達(dá)調(diào)控

4.1 超級(jí)增強(qiáng)子通過相分離調(diào)節(jié)基因表達(dá)

2018年，該實(shí)驗(yàn)室通過實(shí)驗(yàn)證明了上述的超級(jí)增強(qiáng)子基因調(diào)控模型[58]。他們發(fā)現(xiàn)胚胎干細(xì)胞中的轉(zhuǎn)錄共激活因子MED1和BRD4可以在超級(jí)增強(qiáng)子處形成相分離的凝聚體，并將轉(zhuǎn)錄物質(zhì)富集在超級(jí)增強(qiáng)子周圍，形成轉(zhuǎn)錄過程中的區(qū)室化[58]。轉(zhuǎn)錄共激活因子MED1和BRD4是超級(jí)增強(qiáng)子的重要組成蛋白，超級(jí)增強(qiáng)子與MED1和BRD4的凝聚物相關(guān)聯(lián)。在穩(wěn)定表達(dá)mEGFP-BRD4/mEGFP-MED1的mESC細(xì)胞系中，MED1和BRD4在細(xì)胞核中呈現(xiàn)亮斑狀且細(xì)胞核中的超級(jí)增強(qiáng)子與MED1和BRD4共定位，說明MED1與BRD4與超級(jí)增強(qiáng)子的功能有關(guān)。通過對(duì)BRD4與MED1形成的亮斑進(jìn)行熒光漂白恢復(fù)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)BRD4和MED1可以迅速恢復(fù)熒光性，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)ATP被消耗時(shí)，BRD4和MED1的熒光恢復(fù)效果顯著降低；當(dāng)用3% 1,6-己二醇處理細(xì)胞后，細(xì)胞內(nèi)的BRD4和MED1亮斑數(shù)目明顯減少。這些現(xiàn)象說明BRD4和MED1亮斑具有相分離凝聚物的性質(zhì)。通過ChIP-seq實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，1,6-己二醇處理后的細(xì)胞中，BRD4和MED1在超級(jí)增強(qiáng)子處的結(jié)合能力顯著下降，同時(shí)由超級(jí)增強(qiáng)子調(diào)控的基因表達(dá)水平也顯著降低。說明轉(zhuǎn)錄共激活因子BRD4與MED1在細(xì)胞中通過相分離形式在超級(jí)增強(qiáng)子處成簇分布，并且起到調(diào)控基因表達(dá)的作用。BRD4和MED1中均檢測(cè)到具有長(zhǎng)的內(nèi)在無序區(qū)域。通對(duì)BRD4與MED1的內(nèi)在無序區(qū)域進(jìn)行純化，發(fā)現(xiàn)它們?cè)隗w外可自發(fā)組裝形成液滴。這些液滴表現(xiàn)出弱蛋白–蛋白相互作用網(wǎng)絡(luò)凝聚物的特征。液滴的大小與蛋白濃度、緩沖體系的鹽濃度及疏水性等因素有關(guān)。在體內(nèi)，利用藍(lán)光報(bào)告系統(tǒng)OptoDroplet證明內(nèi)在無序區(qū)域可以發(fā)生相分離，在藍(lán)光刺激的情況下可以觀察到細(xì)胞內(nèi)亮斑的形成，并且亮斑之間有融合的現(xiàn)象。這些現(xiàn)象說明內(nèi)在無序區(qū)域參與了與超級(jí)增強(qiáng)子共定位的BRD4和MED1的相分離現(xiàn)象，且BRD4和MED1相分離凝聚物具有普通相分離液滴的性質(zhì)。這一系列的實(shí)驗(yàn)顯示，BRD4和MED1形成了相分離液體，參與了超級(jí)增強(qiáng)子的基因表達(dá)調(diào)控。

4.2 轉(zhuǎn)錄因子通過相分離參與基因表達(dá)調(diào)控

轉(zhuǎn)錄因子由DNA結(jié)合域(DNA-binding domains)和激活域(activation domains)組成[59]。對(duì)轉(zhuǎn)錄因子的DNA結(jié)合域已經(jīng)有比較深入的研究[60]，但對(duì)激活域行使功能的機(jī)制，到目前為止仍然了解甚少。研究發(fā)現(xiàn)激活域可以與介質(zhì)共激活劑共同作用發(fā)生相分離，激活基因表達(dá)[61]。

OCT4是對(duì)胚胎干細(xì)胞的多能狀態(tài)維持至關(guān)重要的主要轉(zhuǎn)錄因子，也是胚胎干細(xì)胞超級(jí)增強(qiáng)子中的一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子[56]。OCT4可以與轉(zhuǎn)錄中介體復(fù)合物(mediator)的亞基MED1相互作用，在胚胎干細(xì)胞中的超級(jí)增強(qiáng)子上形成相分離凝聚物[62]。新生RNA熒光原位雜交的免疫熒光成像顯示，在關(guān)鍵的多能性基因、、和的超級(jí)增強(qiáng)子處存在不連續(xù)的OCT4斑點(diǎn)。ChIP-seq結(jié)果顯示OCT4和MED1在超級(jí)增強(qiáng)子附近共定位。以基因?yàn)檠芯繉?duì)象，當(dāng)OCT4暴露于小分子dTag中時(shí)，OCT4發(fā)生迅速泛素化并降解，凝聚在超級(jí)增強(qiáng)子處的MED1和的基因表達(dá)也隨之下降。在胚胎干細(xì)胞的分化過程中，超級(jí)增強(qiáng)子附近的OCT4的丟失，MED1和的基因表達(dá)也顯著降低。這些結(jié)果說明MED1在超級(jí)增強(qiáng)子處的凝聚依賴于OCT4，且OCT4和MED1與基因轉(zhuǎn)錄水平有關(guān)。

轉(zhuǎn)錄因子OCT4的激活域通過與MED1-IDR 相互作用激活基因表達(dá)。OCT4-GFP自身不形成相分離液滴，而MED1-IDR-GFP可以形成相分離液滴，且液滴大小與溶液濃度相關(guān)。當(dāng)將兩種蛋白混合時(shí)，OCT4-GFP蛋白可以被招募進(jìn)入MED1-IDR-GFP液滴中，并顯示出液滴的性質(zhì)。通過分析OCT4中氨基酸頻率和電荷偏好性發(fā)現(xiàn)OCT4內(nèi)在無序區(qū)域中富含脯氨酸和甘氨酸，并且具有全部的酸性氨基酸。由于轉(zhuǎn)錄因子的激活域中富含酸性氨基酸和脯氨酸，作者推測(cè)激活域中的脯氨酸或酸性氨基酸可能促進(jìn)與相分離的MED1-IDR液滴的相互作用。通過設(shè)計(jì)熒光標(biāo)記實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)具有酸性氨基酸基序的多肽容易進(jìn)入MED1液滴中，且MED1-IDR和轉(zhuǎn)錄中介體復(fù)合物招募OCT4要依賴于激活域酸性氨基酸提供的靜電作用力。OCT4 激活域的酸性氨基酸基序?qū)τ谄溥M(jìn)入MED1的液滴以及基因激活功能都是必需的，它通過與MED1聚集形成液滴發(fā)揮其基因激活功能。這個(gè)例子展示了轉(zhuǎn)錄因子可以和轉(zhuǎn)錄中介體復(fù)合物發(fā)生液–液相分離從而激活基因表達(dá)。

4.3 一種新的相分離調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄模型

最近研究人員提出了一種新的基因轉(zhuǎn)錄模型解釋RNA聚合酶Ⅱ(Pol Ⅱ)在起始和延伸階段的調(diào)控機(jī)制[63]。該模型認(rèn)為基因的轉(zhuǎn)錄受控于兩個(gè)相分離凝聚體。一個(gè)是在啟動(dòng)子附近形成的啟動(dòng)子動(dòng)態(tài)凝聚體，由包含轉(zhuǎn)錄因子、共激活因子、非磷酸化的Pol Ⅱ和啟動(dòng)因子組成。另一個(gè)是在基因體中的瞬時(shí)凝聚體，由磷酸化Pol Ⅱ、新生RNA、延伸因子、RNA加工因子以及特異性延伸共激活因子組成。啟動(dòng)子凝析體促進(jìn)轉(zhuǎn)錄起始、RNA合成和Pol Ⅱ磷酸化。Pol Ⅱ的C端非結(jié)構(gòu)區(qū)域的磷酸化驅(qū)使Pol Ⅱ從啟動(dòng)子凝聚體中析出，進(jìn)入基因體凝聚體中。當(dāng)Pol Ⅱ到達(dá)基因的末端時(shí)，C端非結(jié)構(gòu)區(qū)域脫磷使得Pol Ⅱ從基因體凝析液中釋放出來,并轉(zhuǎn)移回啟動(dòng)子凝聚物。簡(jiǎn)單的說，就是Pol Ⅱ通過C端非結(jié)構(gòu)區(qū)域的磷酸化調(diào)控其在不同功能聚集體之間的穿梭，完成高效并且可調(diào)控的轉(zhuǎn)錄。該模型假說提出后不久，Richard Young實(shí)驗(yàn)室發(fā)表了跟上述模型一致的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[64]。在Young的結(jié)果中，更明確的指出了剪接復(fù)合物在基因體凝聚體中的關(guān)鍵性作用，即Pol Ⅱ的C端非結(jié)構(gòu)區(qū)域的磷酸化驅(qū)動(dòng)從轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物到RNA加工復(fù)合物的轉(zhuǎn)換。這也進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了C端非結(jié)構(gòu)區(qū)域磷酸化作為調(diào)節(jié)Pol Ⅱ結(jié)合不同復(fù)合物偏好性的機(jī)制。

5 結(jié)論與展望

從發(fā)現(xiàn)相分離現(xiàn)象與無膜細(xì)胞器形成之間的聯(lián)系之后，研究人員一直致力于相分離的形成和功能機(jī)制的研究，在相分離與染色質(zhì)結(jié)構(gòu)、基因表達(dá)、轉(zhuǎn)錄調(diào)控、信號(hào)傳導(dǎo)等方面取得了重要突破。相分離現(xiàn)象與神經(jīng)退行性疾病、癌癥等復(fù)雜疾病密切關(guān)聯(lián)的研究結(jié)果有助于研究人員進(jìn)一步了解疾病的致病機(jī)理，進(jìn)而促進(jìn)新的藥物開發(fā)。但是相分離研究中仍然存在諸多困難與挑戰(zhàn)。首先，目前并沒有廣泛接受的標(biāo)準(zhǔn)來定義發(fā)生相分離的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)；其次，簡(jiǎn)單的光學(xué)觀測(cè)還不足以區(qū)分相分離。例如，體外過表達(dá)一種蛋白質(zhì)并看到一個(gè)大的球形液滴是常見的，內(nèi)源性表達(dá)的蛋白質(zhì)也可能存在類似的液滴。在實(shí)驗(yàn)方法方面，細(xì)胞內(nèi)相分離物質(zhì)純化比較困難，很多體外驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)難以在體內(nèi)進(jìn)行開展。在未來的研究中，除了對(duì)新的實(shí)驗(yàn)方法以解決細(xì)胞內(nèi)實(shí)驗(yàn)困難有迫切需求之外，新的影像分析識(shí)別算法，建立分子層面的組學(xué)和宏觀的相分離之間的聯(lián)系，也是一個(gè)重要的待解決問題。另外，對(duì)于相分離在染色質(zhì)構(gòu)象形成，相分離對(duì)細(xì)胞核內(nèi)的生命過程的功能性作用是不是具有普遍性等一些基本的問題，在學(xué)界仍然存在很多不同的聲音。這一方面說明相分離的確是一個(gè)重要的，受到廣泛關(guān)注的生理現(xiàn)象。而另一方面，也說明相分離的研究還需要被更深入全面的檢視。在可預(yù)見的未來，相分離的研究將在實(shí)驗(yàn)技術(shù)和計(jì)算技術(shù)的雙重推動(dòng)下，揭示更深入的生命科學(xué)問題。

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Three-dimensional structure and function of chromatin regulated by “l(fā)iquid-liquid phase separation” of biological macromolecules.

Xiaomeng Gao1,2, Zhihua Zhang1,2

Phase separation drives biomacromolecule condensation (phase separation) and is the main mechanism for the formation of membrane-less organelles in cells. Phase separation is involved in many biological processes and is closely associated to various human diseases, e.g., neurodegenerative diseases. Focusing on the molecular mechanism and functions, researchers have recently revealed close associations s between phase separation and various biological functions, such as signal transduction, chromosome structure, gene expression, and transcriptional regulation. These findings have provided new perspectives in understanding cell fate decisions and disease processes, thereby offering novel approaches for future drug discovery and development of disease treatments in medicine. In this review, we summarized the current progress in the field of phase separation research. We focused on its application on understanding how phase separation remodels the chromatin structure, assembles co-activators and super-enhancers in regulation of gene expression, in order to further understand the relationship between phase separation and chromatin spatial structures. Finally, we also outline the challenges in reference to future research directions in the field.

phase separation; chromosome structure; gene expression; transcriptional regulation; diseases

2019-09-04;

2019-11-04

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(編號(hào)：2018YFC2000400)和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：31871331，31671342)資助[Supported by the National Key R&D Program of China (No. 2018YFC2000400), the National Natural Science Foundation of China (Nos. 31871331, 31671342)]

高曉萌，碩士研究生，專業(yè)方向：三維基因組結(jié)構(gòu)研究。E-mail: gaoxiaomeng2018m@big.ac.cn

張治華，博士，研究員，研究方向：三維基因組結(jié)構(gòu)研究。E-mail: zhangzhihua@big.ac.cn

10.16288/j.yczz.19-266

2019/12/19 14:30:42

URI: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1913.R.20191218.1615.003.html

(責(zé)任編委: 史岸冰)