转录因子的协同交换可以促进转录

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撰文 | 一只鱼

转录因子可以结合靶基因调控区域的特点DNA序列，激活转录。随着单分子成像技术的发展，科学家们发现转录过程是高度动态的，绝大多数的转录因子与DNA的结合仅持续几秒钟，而转录是以一种随机的突然爆发（stochastic burst）形式发生的【1】。转录水平是由burst的频率、持续时间以及初始速率决定的，但是这种瞬时的转录因子结合是如何导致转录激活的仍不清楚。

近日，来自荷兰癌症研究所的Tineke L. Lenstra研究团队在Molecular Cell上发表题为Transcription factor exchange enables prolonged transcriptional bursts的文章，设计了一种显微成像方法来同时测定活酵母细胞中单个位点的转录因子瞬时结合以及这些结合事件对于转录的影响，转录因子Gal4瞬时结合DNA，但是频繁交换，从而延长了转录活性时期，因此，转录因子的协同和交换促进了转录过程的稳健发生。

在模式生物酵母中，Gal4是研究的比较清楚的一个转录因子，其靶基因是高度表达的GAL10。为了在活酵母细胞中检测Gal4结合和其靶基因GAL10的转录，研究人员利用内源Gal4的C端标记HaloTag，并且GAL10的5‘末端添加了14个PP7重复序列的株系进行研究，HaloTag可以共价结合荧光染料JF646。带有PP7包膜蛋白的新生转录本可以结合GFPEnvy，这样转录位点（TS）的强度可以指征新生GAL10转录本的数量。他们开发了一种跟踪算法，对TS进行3D跟踪，用这种算法来检测GAL10的转录，同时监测Gal4结合到GAL10位点。

他们发现约三分之二的Gal4结合事件平均持续25s左右，而三分之一的Gal4结合事件平均持续75s左右。接下来他们将 Gal4-GAL10时间轨迹与所有检测到的Gal4结合事件的起始（Gal4结合）和结束（Gal4解离）对齐，并绘制了Gal4信号和GAL10 TS的平均强度，发现Gal4结合对转录的影响几乎是即时的，并且Gal4解离也与转录的减少相吻合。一般来说Gal4结合之后都会出现转录激活，但是并不是每一个结合事件都一定会激活转录，于是他们想知道有多少结合事件会导致转录激活，发现至少有20%的Gal4结合是有效的。转录因子的结合和解离会导致转录水平的增加和减少这一发现表明转录因子的占位在burst的整个过程中都是必需的。然后他们分了5个时间段进行研究，burst之前，burst起始，burst中间，burst结束，以及burst之后，发现在burst中间Gal4的结合情况明显更高，然后他们选择了结合事件超过20s的事件进行分析，发现Gal4的结合和解离事件分别显著富集在burst起始和结束阶段，且相比于burst之间和之后，在burst中间Gal4的结合频率更高，以上结果提示Gal4在转录burst中会发生交换，符合协同结合模型。他们发现86%的Gal4结合平均时间约为14s，而14%的Gal4结合平均时间约为82s，Gal4很少会在整个burst过程中都结合DNA。

转录因子协同交换结合模型

总的来说，这项研究揭示了转录因子瞬时结合如何导致相对长期的转录激活的机制，即转录因子的协同交换促进稳健的转录激活，促进了人们对真核生物细胞基因表达调控的理解。

https://doi.org/10.1016/j.molcel.2024.01.020

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