NAR (IF=19) | 重庆大学黄川团队发现应激反应基因基础转录的关键调控机制

应激反应基因 (Stress-responsive genes) 在正常条件下低转录，而在应激反应中被强烈诱导。基础转录和诱导转录之间的显著差异表明转录需要一种特定的机制来区分每种转录状态。然而，对这种机制的研究仍然知之甚少。

2022年8月11日，重庆大学黄川团队在Nucleic Acids Research （IF=19）在线发表题为“The DEAD-box helicase Hlc regulates basal transcription and chromatin opening of stress-responsive genes”的研究论文,该研究使用经典模型应激反应基因 (Drosophila MtnA) ，发现敲除 DEAD-box helicase Hlc 会导致 MtnA 在正常但无压力的条件下转录显著衰减。

从机制上讲，Hlc 直接与 MtnA 基因座结合，以维持转录起始位点附近染色质的可及性，这允许 RNA 聚合酶 II 的募集和随后的 MtnA 转录。随后使用 RNA-seq鉴定了许多额外的应激反应基因，其基础转录在 Hlc 敲低后减少。总之，这些数据表明DEAD-box解旋酶 Hlc 介导的基础转录调控是精确控制应激反应基因重要且广泛的机制。

外部和内部刺激会引发转录重编程，在此期间，RNA 聚合酶II (Pol II) 在应激反应基因的启动子和编码区迅速积累以增强其表达。适应性转录使细胞能够在暴露于各种压力后几分钟内做出反应，从而提高细胞存活和适应能力。例如，铜应激可以快速激活果蝇金属硫蛋白A (Drosophila Metallothionein A, MtnA) 的转录活性，其编码的蛋白质能够隔离细胞内过载的铜离子。

值得注意的是，在正常条件下，许多应激反应基因并不是完全沉默的。而是这些基因在基础状态下不断转录的，尽管处于相对较低的转录水平。典型的例子是 MtnA 和多个热休克蛋白基因 (Hsps)，它们的基础表达可以很容易地通过不同的技术检测到。特别是，发现 Hsps 的基础活性在正常细胞生长和分化中具有基础作用。这些研究表明应激反应基因的基础转录也是活细胞生物过程的一个重要方面。

迄今为止，大多数转录因子在基础和应激诱导的转录中都具有功能。例如，金属反应性转录因子-1 (MTF-1) 对于 MtnA 在正常和重金属胁迫条件下的转录活性都是必不可少的。

鉴于基础转录和应激诱导转录之间的显著差异，研究者们推测细胞可能需要复杂的机制来帮助一般转录机制和/或转录因子区分正常和应激条件。之前的研究表明，果蝇 gawky 的敲低显著降低了金属诱导的转录水平，但对基础转录没有影响。从机制上讲，gawky 易位到细胞核中，并将MTF-1的金属激活版本引导至金属响应基因的启动子区域，以促进它们响应重金属压力的转录。这表明 gawky 对指示金属诱导的转录具有特异性。然而，哪些因素专门调节基础转录及其详细机制仍然是一个悬而未决的问题。

果蝇 Hlc 及其哺乳动物同源物DDX56属于DEAD-box解旋酶，这是一个高度保守的RNA结合蛋白家族，其成员参与整个细胞RNA代谢，例如剪接、核输出、翻译和降解。DDX56首次被鉴定为一种核糖体生物合成因子，可调节人和酵母细胞系中晚期60S核糖体亚基的组装过程。不仅如此，涡虫DDX56缺失诱导核糖体生物发生中断并导致核糖体蛋白失调，最终损害细胞增殖并引发半胱天冬酶依赖性细胞凋亡。DDX56还对各种病毒的感染性具有抑制或促进作用。此外，最近的研究揭示了DDX56在不同癌症类型中的致癌作用。尽管已经揭示了 DDX56 的新兴作用，但关于这种解旋酶的分子功能的研究仍然非常有限。

该研究中，研究者们使用经典模型中鉴定的应激反应基因 (MtnA) ，将果蝇 Hlc 鉴定为特定于指示基础转录的必需调节因子。从机制上讲，Hlc 直接与 MtnA 的基因组位点相互作用以维持其开放的染色质状态。Hlc 的敲除导致转录起始位点 (TSS) 附近出现浓缩的染色质结构，从而使 Pol II 与基因组 MtnA 分离。

此外，该研究发现在从基础转录到铜诱导转录的转变过程中，gawky和Hlc在 MtnA 基因组位点之间存在负协同性，证实了Hlc介导的调节的特异性。通过分析RNA-seq数据，发现大量额外的应激反应基因，其基础转录在Hlc敲低后显著下调。

染色质开放是转录的先决条件。该研究发现Hlc对于基础转录状态下的开放染色质维持是必不可少的，其解旋酶ATP结合域有助于这一过程。这些数据提出了一个假设，即Hlc作为一种直接功能性酶来重塑染色质并增加DNA的可及性。然而，仍不能排除Hlc通过调节染色质重塑因子的功能活性和/或影响基因组稳定性间接影响3D染色质组织的可能性。总之，该研究提出 Hlc 介导的调控是协调应激反应基因基础转录的重要且广泛的机制。

原文链接：

https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkac684/6660963?searchresult=1

转自：“iNature”微信公众号

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