撰文 | 啾啾椰
基因在不同細胞中具有特定的表達模式，在不同的時間點、不同的組織或細胞型別中，基因以特定的方式被啟用或沉默。這意味著，不是所有基因在任何細胞或所有時間都處於活躍狀態，而是根據細胞的型別、發育階段或外部刺激，某些基因會被選擇性地表達 （開啟） 或抑制 （關閉） 。這種有序的基因表達模式是多細胞生物正常發育和功能的基礎【1】，因為不同的細胞型別需要不同的基因活動來執行特定的功能。
基因表達模式依賴於轉錄因子識別基因調控元件中的DNA序列，進而控制RNA聚合酶II在基因上的活性【2】。然而，在真核生物中，這些調控元件的染色質狀態同樣會極大地影響轉錄和基因表達。多梳抑制系統（Polycomb Repressive System，PRS） 在維持哺乳動物發育的過程中，能緊緻壓縮DNA，透過表觀遺傳修飾導致基因沉默，確保在特定細胞型別中只有正確的基因保持活躍狀態【3】。該系統由兩個主要複合物構成：多梳抑制複合物1（Polycomb repressive complexes 1，PRC1） 和2 （PRC2）【4】。之前的研究表明，PRC2透過修飾組蛋白H3，引導PRC1識別並定位於染色質上， PRC1在組蛋白H2A上加上單泛素化修飾,從而形成Polycomb染色質域【5】。這些區域可以限制RNA聚合酶II的活動，對基因表達起抑制作用，限制轉錄起始的發生。儘管人們瞭解了PRC1和PRC2如何透過組蛋白修飾形成多梳染色質域並抑制基因表達的總體原理，但對這個過程在單個細胞中如何動態發生的細節仍然不清楚。
近日，來自牛津大學的Aleksander T. Szczurek和Robert J. Klose研究團隊在Nature Cell Biology上發表了題為The Polycomb System Sustains Promoters in a Deep OFF State by Limiting Pre-Initiation Complex Formation to Counteract Transcription的文章，探索了多梳系統在單細胞層次上是如何具體調控基因的。
研究採用了快速降解蛋白系統 （Rapid degron approaches） 結合活細胞轉錄成像及單分子追蹤技術。透過CRISPR-Cas9工程化小鼠胚胎幹細胞，研究團隊在兩個多梳基因 （受多梳系統調控的基因：Zic2和E2f6） 的內含子中插入了MS2重複序列，使這些基因的轉錄過程視覺化。此外，使用smRNA-FISH對基因的轉錄活動進行定量，藉助單細胞水平的分析來捕捉轉錄的動態。
透過活細胞轉錄成像技術，研究人員發現多梳基因 （Zic2和E2f6） 的轉錄活動在單個細胞內具有突發性 （pulsatile） ，並且這些基因在“開啟”狀態 （ON periods） 下會持續一定時間的轉錄，但更多時間處於“關閉”狀態。這表明Polycomb基因的轉錄受到嚴格的時間調控。
圖1：成像顯示Polycomb基因在活細胞中的轉錄行為
那麼，多梳系統是怎麼進行時間調控的？他們比較了受多梳系統調控的基因 （Zic2 和E2f6） 和不受多梳系統調控的基因 （Hspg2） 在“開啟”狀態的轉錄本數量，轉錄時間以及Pol II載入頻率，發現沒有差別，也就是說，多梳系統調控的方式很可能並不是在開啟狀態期間限制轉錄。
透過細胞內快速降解蛋白系統，研究人員標記了PRC1使其快速降解，發現PRC1的失活對多梳基因在“開啟”狀態下的轉錄並沒有明顯抑制作用。這意味著多梳抑制系統的作用不在於直接影響轉錄進行，而是控制基因在何時處於開啟或關閉狀態。他們還發現，PRC1的耗竭顯著增加了啟動子從“關閉”狀態進入“開啟”狀態的頻率。雖然開啟狀態的持續時間並沒有顯著變化，但PRC1耗竭後，基因花費更多時間處於允許狀態，導致基因轉錄事件的增加。也就是說，PRC1透過維持啟動子的深度“關閉”狀態來抑制基因轉錄。
研究人員假設，PRC1透過限制早期轉錄前起始複合物（pre-initiation complex,PIC） 的結合，尤其是限制TFIID等關鍵因子的結合，來阻止基因啟動子進入開啟狀態。單分子追蹤 （Single-Particle Tracking, SPT） 技術允許研究人員熒游標記關鍵轉錄因子 （如TBP、TAF1、TAF11等） 並觀測這些分子與染色質的動態相互作用。他們發現PRC1主要透過限制關鍵轉錄因子（如TBP和TFIID）的結合，減少早期轉錄前起始複合物（PIC）的形成，實現對轉錄的有效抑制。
圖2：PIC 組裝和轉錄調控階段的示意圖。
綜上所述，本文采用了快速降解蛋白系統結合活細胞轉錄成像及單分子追蹤技術，發現多梳系統並不直接抑制轉錄，而是透過維持啟動子的關閉狀態來抑制基因表達。PRC1抑制了轉錄前起始複合物的形成，減少了啟動子進入開啟狀態的頻率。這解釋了多梳系統如何在不同細胞環境中限制基因表達的原理。
https://www.nature.com/articles/s41556-024-01493-w
製版人：十一
參考文獻
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2. Haberle, V. & Stark, A. Eukaryotic core promoters and the functional basis of transcription initiation.Nat. Rev. Mol. Cell Biol.19, 621–637 (2018).
3. Janssen, S. M. & Lorincz, M. C. Interplay between chromatin marks in development and disease.Nat. Rev. Genet.23, 137–153 (2022).
4. Blackledge, N. P. & Klose, R. J. The molecular principles of gene regulation by Polycomb repressive complexes.Nat. Rev. Mol. Cell Biol.22, 815–833 (2021).
5. Fursova, N. A. et al. Synergy between variant PRC1 complexes defines Polycomb-mediated gene repression.Mol. Cell74, 1020–1036 e1028 (2019).
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