撰文 | YQ
責編 | 兮
在長期的進化過程中，非常多的生物學過程都形成了反饋調節機制，比如：訊號轉導，生物節律以及DNA損傷修復反應等。反饋調節可以幫助機體維持內環境的穩態等，是細胞內生理活動調控的重要機制。DNA是絕大多數生物的遺傳物質，按照中心法則轉錄為mRNA，並翻譯為蛋白質，執行相應的生理功能。細胞內mRNA的轉錄在時間和空間上受到了多層次的精細調控，但是轉錄是否存在直接的反饋調節機制到目前為止仍不明確。按照進化上“最經濟快速”的反饋調節原則，通常都是直接的產物會對產生該物質的關鍵酶發揮反饋調節。因此，轉錄的直接產物RNA便是對轉錄過程發揮反饋調控的最為理想的物質。那麼是否轉錄出來的RNA會對基因的轉錄產生反饋調控？
2017年，Phillip A Sharp 以及Richard Young 等在Cell雜誌發表了A Phase Separation Model for Transcriptional Control的文章，提出了轉錄調控的相分離模型。自此，基因表達調控研究進入全新的“Phase”。2018年6月21日Richard Young 課題組在Science發表了題為Coactivator condensation at super-enhancers links phase separation and gene control的文章，首次報道了BRD4和MED1可以在超級增強子處發生相分離，將轉錄複合物等“凝集”在超級增強子附近，顯著提高參與轉錄的複合物的“區域濃度”從而促進轉錄過程的正常進行，該研究為前面提出的超級增強子透過相分離調控基因表達的模型提供了直接的實驗證據，對基因轉錄調控機制研究提供了全新的角度。隨後，Richard Young組在Cell雜誌上發表了題為Transcription Factors Activate Genes through the Phase-Separation Capacity of Their Activation Domains的文章，報道了轉錄因子的轉錄啟用結構域透過與轉錄中介體複合物Mediator發生液-液相分離來啟用基因表達的模型。
近日，Richard Young課題組再次在 Cell 雜誌發表了題為RNA-Mediated Feedback Control of Transcriptional Condensates的文章，闡述了轉錄形成的RNA透過調控Mediator的相分離從而對轉錄過程進行反饋調節的機制。
我們知道，在轉錄的早期過程中，RNA Pol II會在增強子以及啟動子附近區域轉錄生成一小部分small noncoding RNAs，在早期的轉錄延伸階段有一次重要的暫停，因其發生在靠近啟動子的區域，被稱為啟動子近側暫停（promoter-proximal pausing），當RNA Pol II經歷這一“暫停”，並被釋放後，將快速高效地合成RNA，從而完成基因的轉錄過程。RNA分子在溶液中通常帶有負電荷，作者提出了蛋白以及RNA的相互作用可以被認為是一種poly-electrolytes，當電荷相等的時候容易發生聚集現象。由此，作者猜測，可能早期轉錄形成的small noncoding RNAs可以促進相分離，但是後續生成的大量的長鏈的mRNA由於帶有大量的負電荷，將使“轉錄凝集體”解聚。
因此，作者首先利用前期的工作中建立的體外的mediator 的相分離系統，使用不同濃度的RNA，檢測不同濃度的RNA對於轉錄中介體複合物Mediator相分離的影響，作者發現，在模擬生理條件下的體外相分離實驗中，低濃度的RNA可以顯著促進Mediator的相分離，但是高濃度的RNA卻可以解離Mediator的相分離。作者接下來探究了是否是由於RNA的電荷調節了Mediator的相分離。為了實現這一目的，作者應用了更簡單的體外相分離系統，應用MED1-IDR-GFP的體外相分離，同樣發現低濃度的RNA可以促進MED1-IDR-GFP的相分離，而高濃度的RNA可以解離MED1-IDR-GFP形成的相分離。這一簡單的體外實驗體系，可以定量了計算蛋白以及RNA所攜帶的電荷，作者發現，當兩者的電荷接近時，相分離現象最為明顯，過高和過低的RNA濃度都將降低蛋白的相分離能力。另外，作者發現，RNA並不能促進MED1-IDR RHK > A （MED1-IDR的帶正電氨基酸殘疾突變體）的相分離。因此，基於此，作者發現RNA可以在低濃度下促進Mediator的相分離，但是在高濃度下解離Mediator的相分離，並且這種功能的實現是透過電荷的作用。這就為RNA參與到轉錄過程的反饋調節提供了理論的基礎。
作者接下來研究了這一理論上的反饋調節機制，是否真實的可以調控基因的轉錄過程。作者首先在經典的體外哺乳動物轉錄系統（包含：RNA Pol II，general transcritpiton factor, Meditor以及transcriptional activator）中研究這一反饋調節是否存在。
作者發現，在適合轉錄發生的buffer條件下，幷包含有DNA模板的時候，體外的轉錄系統中會形成“droplet”的結構。作者發現，抑制轉錄進行的elevated concentrations of NTPs, NaCl, or heparin都會抑制相分離。另外，Spermine（帶正電，促進溶液中的電荷平衡）能夠促進相分離的發生，也能夠促進轉錄的進行。作者發現，當像該體外轉錄體系中加入外源的RNA的時候，能夠顯著地抑制相分離的發生，並且抑制內源性的RNA的產生。這些結果說明了在體外轉錄體系中，確實存在反饋調節機制。
作者對還這一反饋調節的體系，應用了物理學上的理論，使用數學以及物理學的方式對這一體系進行了模擬。並建立一個計算的模型，研究主動轉錄的RNA與轉錄蛋白形成的相分離的各個參與者之間的物理和化學的相互作用。更深入地闡述了這一反饋調節的物理化學本質。
接下來作者在體內對該模型進行了驗證，作者發現，應用轉錄延伸抑制劑能夠提高細胞內轉錄相關的相分離的持續時間以及所形成的“droplet”的大小。另外，作者使用Tet-On 系統以及luciferase assay系統，建立了一套體內檢測RNA反饋調節的實驗體系。
作者在該體系中對所提出了理論進行了驗證，發現大量的RNA產生確實可以使轉錄初期形成的相分離解聚，並且抑制轉錄過程，從而發揮反饋調節的功能。並且這種反饋調節是依賴於RNA的劑量以及RNA的長度的。
基於以上的實驗結果，透過生物學與物理學、化學、數學等學科的交叉，作者發現了細胞內另一反饋調節機制，即RNA可以透過調控轉錄過程的相分離體系，來反饋調控轉錄過程本身。轉錄早期所產生的小RNA由於鏈較短，電荷較少，能夠促進Mediator等的相分離過程，但是轉錄延伸產生的大量的長鏈RNA，反過來會促進Mediator等的相分離的解聚，從而完成反饋調節。
原文連結：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.11.030
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