Nature Cell Biol | 真核生物转录与细胞核空间组织调节：转录环的形成

撰文 | 十一月

细胞核的组织方式在基因表达中的作用已经被充分证实，但反过来，转录又是如何塑造基因组空间组织结构的呢？

为了揭开这一问题的答案，近日，德国慕尼黑大学Irina Solovei研究组以及美国麻省理工学院Leonid Mirny研究组合作在Nature Cell Biology上发表文章Spatial organization of transcribed eukaryotic genes，利用对长时间高表达基因的研究，发现在转录过程中新生RNA形成了开放式转录环以及该转录环结构对细胞核结构组织的影响。

通过对巨大唾液腺染色体的研究发现，转录过程会形成从染色体轴发出的环状结构，形成灯刷染色体侧环结构以及多线染色体的蓬松结构【1-3】。RNA聚合酶RNAPII会携带新生的RNA转录本沿着DNA模板移动。但有研究认为RNA聚合酶RNAPII以及新生RNA转录本并不会形成换装结构而是形成簇状结构，因此延伸出了转录工厂的概念。是形成转录环还是转录工厂其实很大程度上因为光学显微镜的分辨率有限。想要对基因表达进行可视化，要求该基因需要具有足够的长度以及相当的表达量。但是一般来说这两种特性都具有的基因在哺乳动物细胞中是很少的。因此，想要对转录过程对细胞核组织结构的影响进行研究，作者们首先需要找到几个长度足够、表达量相当的目标基因作为“抓手”。

作者们以100kb作为长度阈值，这一长度是视觉上可以识别灯刷染色体最小的尺寸，而转录本高于千分之一的表达水平（每百万个转录本表达超过一千）作为表达量阈值，相当于人类细胞中GAPDH基因的平均表达水平。根据GTEx联盟的基因型-组织表达数据库，作者们找到了10个高阈值的人类基因。其中表达最高的五个基因分别是甲状腺球蛋白基因TG、骨骼肌收缩机制相关的基因TTN以及NEB、平滑肌基因CALD1以及MYH11。通过对小鼠中对应基因的表达，作者们确认所有选定的5个小鼠基因Tg、Ttn、Neb、Cald1和Myh11都符合该研究先决条件。

通过DNA或者RNA原位杂交技术，作者们发现这些高度表达的长基因会形成转录环（Transcription loops，TLs）结构（图1）。因为这些基因很长，所以作者们想知道这些RNA信号是mRNA的累积还是新生RNA信号，所以作者们进行了差异标记探针的实验，可以读对长基因的不同外显子分别进行标记。如果转录环带代表的是mRNA，那么整个信号会被不同的差异探针同时标记，但是如果是新生RNA，差异探针则只能标记上一部分的转录环。通过实验作者们发现只能标记上一部分转录环，因此转录环所标记的的确是新生RNA信号，因此转录环结构可以现实转录和剪接的进展。另外，通过转录激活、转录延伸抑制剂等实验，作者们证明转录环结构是高度动态的结构。进一步的，作者们通过Hi-C实验发现Tg、Ttn、Neb和Myh11从B compartment转移到A compartment，而Cald1则会留在A compartment，转录环结构会从染色体上被挤出，从而塑造细胞核中染色质的结构。

图1 高表达长基因会形成转录环结构

那么高表达的长基因是如何从染色体上被挤出来的呢？作者们提出一个假设，认为转录环是具有一定硬度的刚性结构，以此来促使转录环挤出。随后，作者们利用聚合物模型来证实转录环的刚性模型，作者们发现高度转录的基因刚性增加，有助于转录环挤出。

图2 工作模型

总的来说，作者们以高表达的长基因作为研究模型，从而能够对转录过程进行可视化，发现在转录过程中新生的RNA会形成转录环结构，并影响细胞核中染色体结构的空间组织，转录环结构是动态且开放的，其形成依赖于刚性的增加（图2）。这一发现有助于对转录过程更进一步的认识和研究。

参考文献

1. Macgregor, H. C. An Introduction to Animal Cytogenetics (Chapman &Hall, 1993).

2. Kaufmann, R., Cremer, C. & Gall, J. G. Superresolution imaging of transcription units on newt lampbrush chromosomes.Chromosome Res. 20, 1009–1015 (2012).

3. Bjork, P. & Wieslander, L. The Balbiani ring story: synthesis, assembly, processing, and transport of specific messenger RNA–protein complexes.Annu. Rev. Biochem.84, 65–92 (2015)

https://doi.org/10.1038/s41556-022-00847-6