张宏课题组揭示：蛋白质能以“表面活性剂”方式调控基因转录

　　2023年4月24日，中国科学院生物物理研究所张宏课题组在《Developmental Cell》杂志在线发表了题为"Cellular proteins act as surfactants to control the interfacial behavior and function of biological condensates"的研究论文。该研究揭示了转录因子凝聚体界面参与调控下游基因转录起始的过程，并发现细胞内多种蛋白因子能够以协同表面活性剂的方式调控转录因子凝聚体的界面性质及转录活性。

　　近年来，人们发现在细胞内存在一类通过液-液相分离形成的无膜细胞器，也称作生物凝聚体。在没有生物膜结构参与的情况下，一些特定生物分子聚形成具有一定流动性的液态凝聚体，在细胞内的特定区域行使生理功能。

　　这类利用生物相分离和相转化组装而成的生物凝聚体具有界面张力、粘弹性等特殊的物理性质，这些性质与生物凝聚体的生理功能密切相关。例如界面张力能直接参与核仁组装、自噬小体形成等细胞过程。界面化学研究发现位于两相间的界面可以通过吸附表面活性剂降低界面张力，进而调节一系列界面行为。然而，此前人们并不清楚在细胞内是否存在调控生物凝聚体界面的天然表面活性剂因子。

　　科学家已知在自噬-溶酶体相关基因的启动子区域普遍含有CLEAR基序，调控自噬-溶酶体通路的关键转录因子TFEB通过结合含有CLEAR基序的染色质区域调控自噬-溶酶体基因的表达。张宏课题组的前期工作表明，TFEB在细胞核中以相分离方式组装凝聚体，进而调控基因转录。

　　而在本研究中，研究人员进一步发现转录调节因子MLX通过调节TFEB的相分离凝聚体进而调节下游基因转录。研究者发现，MLX与TFEB在细胞核中形成共定位的点状结构，通过抑制TFEB对CLEAR基序的亲和力，抑制其转录活性，进而负调控自噬-溶酶体通路。通过体外重构TFEB相分离液滴，发现TFEB液滴的表面可以特异吸附合成的野生型CLEAR探针，但无法吸附突变的CLEAR探针。在相分离体系中加入MLX明显抑制了CLEAR探针在TFEB液滴表面的吸附，表明MLX以相分离依赖的方式调控着TFEB的DNA亲和性。

　　随后，研究者发现MLX可能是TFEB液滴的特异性表面活性剂。以往的界面化学研究表明，表面活性剂可以在两相界面上定向吸附以降低界面张力。MLX在TFEB液滴表面明显富集；通过界面张力测定实验，发现MLX可以降低TFEB液滴的界面张力，证实其的确是一种天然的表面活性剂。同时，研究者发现吸附于TFEB液滴表面的CLEAR探针也可以降低TFEB液滴的界面张力，表明含有CLEAR的DNA序列同样是TFEB液滴的特异性表面活性剂。

　　以上研究表明TFEB液滴的界面张力驱动其对目标基因中特异性DNA序列的结合，进而起始下游基因的转录；MLX以竞争性表面活性剂方式抑制TFEB液滴的界面张力，进而负调控其DNA亲和力及转录活性。随后研究人员还发现与MLX类似，转录调节因子IPMK和MYC同样是TFEB液滴的特异性表面活性剂，通过抑制TFEB液滴的界面张力负调控其DNA亲和力及转录活性。

　　在界面化学理论中，为将某一界面的界面张力降低到特定数值，混合使用两种以上表面活性剂，如果所需的表面活性剂总浓度低于任意一种单独使用的表面活性剂浓度，则这些表面活性剂被定义为协同表面活性，互相之间具有协同效应。

　　研究者在对细胞生物学表型进行定量统计时发现，MLX、IPMK和MYC三种表面活性剂蛋白对自噬-溶酶体通路的调控存在协同效应，提示MLX、IPMK和MYC可能是TFEB液滴的协同表面活性剂。通过界面张力测定实验，研究者发现混合使用的MLX、IPMK和MYC对降低TFEB液滴界面张力及DNA亲和力具有协同效应，符合协同表面活性剂的定义。此外，研究者还发现RUNX3和HOXA4同样以协同表面活性剂的方式，调节TAZ-TEAD4转录因子凝聚体的界面张力及DNA亲和力，表明该调控方式可能是一种普遍的分子物理机制。


图 MLX、IPMK和MYC以协同表面活性剂方式调控TFEB凝聚体的转录活性

　　综上，本研究表明转录因子凝聚体的界面张力与其转录活性密切相关，细胞中的天然蛋白质可能以表面活性剂方式调控转录因子凝聚体的界面张力及转录活性，进而调控相关通路的活性。

　　中国科学院生物物理研究所张宏实验室王峥副研究员是该论文通讯作者和第一作者，博士研究生杨春是共同第一作者，张宏研究员是资深作者。中科院力学所关东石研究员和国科大已毕业本科生李嘉琪参与了该项工作。该课题得到国家自然科学基金委基础科学中心和面上项目的资助。

　　文章链接：https://doi.org/10.1016/j.devcel.2023.04.004