廈門大學發表Nature文章：剛柔并濟的分子調節機制

　　來自廈門大學醫學院，加州大學伯克利分校的研究人員發表了題為“Phase-separation mechanism for C-terminal hyperphosphorylation of RNA polymerase II”的文章，發現蛋白激酶中含有的組氨酸富集結構域在基因轉錄過程中發揮了調控作用，為解釋相關分子機制提供了全新的視角和概念，同時也有助于藥物設計和篩選研發。

　　這一研究成果公布在5月30日的Nature雜志上，文章的通訊作者為廈門大學醫學院，加州大學伯克利分校周強教授，第一作者是藥學院陸華松博士，其研究部分依托于廈門大學藥學院、福建省藥物新靶點研究重點實驗室和細胞應激生物學國家重點實驗室等平臺完成。

　　基因轉錄是細胞基因表達和行使正常功能必不可少的重要環節。它的異常調控往往會引起不同疾病的發生；因此，轉錄調控機制及相關藥物開發一直是生物醫藥領域研究的熱點之一。人類細胞的編碼基因是由RNA聚合酶II（Pol II） 負責轉錄，它是由一系列精密調控且高效的生化反應所組成。其中的一個重要反應是由轉錄激酶P-TEFb對PolII的CTD結構域進行磷酸化高度修飾（Hyperphosphorylation），從而實現PolII的高效轉錄延伸。

　　CTD 上有許多磷酸化修飾位點，但使得P-TEFb對CTD進行高度修飾所需的識別及作用機制則尚未得到闡釋。由于高效特異性的蛋白互作結構域往往具有剛性不易變的三維空間結構，我們可以將由精準蛋白互作介導的基因轉錄調控稱為“剛性機制”。

　　但近期的研究發現負責調控轉錄的蛋白常含有大量不可定義三維空間結構的片段，它們通常被稱為低復雜性區域（Low Complexity Domain, LCD）或內在無序區域（Intrinsically Disordered Region, IDR）。研究表明，含有LCD/IDR的蛋白可以通過相位分離（類似日常生活中見到的油水分離）的方式聚合形成液滴狀的特殊結構。這些結構可在一定的條件下從水溶液中分離出來，形成局部富集結構并極大促進存在于其中的各類生化反應的進行，同時也能與周圍環境交換物質。由于LCD/IDR并不具有穩定的三維空間結構，其可塑性強，因此我們可以將由LCD/IDR介導的生物活性調控稱為“柔性機制”。

　　周強教授課題組的這項研究正是揭示了“柔性機制”在轉錄過程中的重要作用。研究闡釋了蛋白激酶中含有的組氨酸富集結構域（Histidine-Rich Domain, HRD）可以通過相位分離（Phase separation）對細胞基因轉錄進行調控的分子機制。該研究成果為進一步闡釋該機制提供了全新的視角和概念；為以依托此機制進行的藥物設計、篩選和開發提供了新思路、新靶點和新模型。因此, 該成果在理論研究及應用方面均具有重大意義。

　　在這篇文章中，研究人員發現 P-TEFb亞基CycT1及另一基因特異性轉錄調控因子DYRK1A上均含有進化上保守的組氨酸富集結構域（HRD），并與其上下游序列一起形成一個大的內在無序區域（IDR）。課題組發現該區域在體外可以通過HRD分子間的相互作用以相位分離的方式聚合形成液滴狀結構。在細胞核內，CycT1和DYRK1A則依賴HRD形成斑點結構（nuclear speckle）并可發生動態融合。

　　在進一步的研究中，他們發現 HRD又能以和CTD直接作用的方式招募并富集Pol II到HRD形成的液滴中。當用藥物破壞HRD形成的相變結構后，課題組發現 PolII CTD高度磷酸化修飾也被抑制了。

　　此前研究表明CycT1 Cyclin Box結構域可以用“剛性機制”的方式特異性結合P-TEFb激酶亞基CDK9。將此與這項研究相結合，課題組團隊證實了CycT1通過“剛柔并濟”的方式富集CDK9和Pol II到相位分離形成的液滴狀結構中，從而最大化地促進PolII CTD磷酸化及轉錄延伸活性。

　　由于過去靶向藥物設計多以“剛性機制”中的三維結構域為靶點，周強教授課題組對“柔性機制”的深入研究無疑會為藥物設計提供新思路、新靶點。因此, 該成果在理論研究及應用方面均具有重大意義。