來源：生物探索 2023-07-04 11:29
此項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)ATXN2和ATXN2L在細(xì)胞內(nèi)發(fā)生相分離，且其相分離隨晝夜節(jié)律振蕩，闡釋了其相分離形成的液滴隨節(jié)律振蕩并依序招募、富集一系列RNA相關(guān)的生物過程，并在振蕩高峰期募集核糖體和特異RNA，促
“朝搴阰之木蘭兮，夕攬洲之宿莽?！?/p>
“晨興理荒穢，帶月荷鋤歸?！?/p>
地球自轉(zhuǎn)造就日月流轉(zhuǎn)，晝夜更替。正如屈原和陶淵明分別在詩句中描繪的那樣，為適應(yīng)這種規(guī)律，在宏觀層面上的人類活動在時間和空間上隨晝夜變化。而在微觀層面上，細(xì)胞中的眾多生物過程也隨著晝夜節(jié)律在時間和空間上受到嚴(yán)格調(diào)控，精妙地協(xié)調(diào)多種生物過程的振蕩，形成無形的生物鐘。
之前的研究表明，生物鐘調(diào)控由若干分子環(huán)路組成，其中包括一組時鐘基因（clock genes）構(gòu)成的轉(zhuǎn)錄翻譯負(fù)反饋回路（Transcription-Translation Feedback Loop, TTFL）。在這個回路中，轉(zhuǎn)錄、mRNA加工、蛋白質(zhì)翻譯過程以晝夜節(jié)律模式進(jìn)行，從而精準(zhǔn)調(diào)控眾多基因的節(jié)律周期。但這些過程在時間和空間上的節(jié)律性是如何實(shí)現(xiàn)的，仍有大量謎題有待破解。
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、清華-IDG/麥戈文腦科學(xué)研究院、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心吝易課題組與清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院楊雪瑞課題組合作在Cell 發(fā)表研究論文，該研究揭示了細(xì)胞中利用相分離協(xié)調(diào)蛋白質(zhì)翻譯的精細(xì)時空調(diào)控，從而維持晝夜節(jié)律周期的分子機(jī)制。
研究人員首先聚焦于細(xì)胞內(nèi)全局性蛋白節(jié)律性翻譯的分子調(diào)控機(jī)制。在細(xì)胞節(jié)律同步化后，研究人員發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)蛋白翻譯存在節(jié)律性振蕩，且翻譯高峰出現(xiàn)在一個晝夜節(jié)律周期開始后的12-16小時，即節(jié)律時間（circadian time, CT）12-16。
為了進(jìn)一步研究調(diào)控此節(jié)律性翻譯的分子機(jī)制，研究人員分析了不同節(jié)律時間的全蛋白組，并找到了與蛋白翻譯節(jié)律振蕩模式類似的RNA結(jié)合蛋白ATXN2及其同源蛋白ATXN2L為潛在調(diào)控因子。隨后的分析進(jìn)一步驗(yàn)證了ATXN2和ATXN2L為節(jié)律性翻譯的主調(diào)控分子。有趣的是，ATXN2和ATXN2L單敲除的細(xì)胞節(jié)律相位向相反方向變化，顯示二者在不同時間點(diǎn)發(fā)揮功能并協(xié)同調(diào)控蛋白翻譯。
圖1 野生型細(xì)胞、ATXN2/2L單敲除及雙敲除細(xì)胞的整體翻譯激活情況
下一個問題是，ATXN2/2L如何共同起到調(diào)控節(jié)律性翻譯的作用？
通過對細(xì)胞和組織的染色觀察，研究人員發(fā)現(xiàn)ATXN2/2L在哺乳動物腦內(nèi)中樞生物鐘所在的視交叉上核（Suprachiasmatic Nucleus，SCN）以及體外培養(yǎng)的細(xì)胞中都會形成蛋白凝聚體。這些凝聚體位于核周且大小及數(shù)量隨晝夜節(jié)律振蕩。對不同時間點(diǎn)中ATXN2凝聚體中的蛋白組分顯示，ATXN2凝聚體依時序招募并激活一系列生化反應(yīng)，包括在CT 12時招募RNA加工相關(guān)蛋白，在CT 16時大量募集翻譯起始因子和核糖體蛋白。
圖2 ATXN2/2L凝聚體大小及數(shù)量在U2OS細(xì)胞中隨晝夜節(jié)律振蕩
后續(xù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，ATXN2/2L通過相分離參與到節(jié)律蛋白的翻譯調(diào)控中。生物大分子發(fā)生相分離并形成無膜細(xì)胞器，使細(xì)胞內(nèi)生化反應(yīng)區(qū)室化，從而對各種生理活動實(shí)現(xiàn)精細(xì)的時空調(diào)控。隨后的研究探索了ATXN2/2L通過相分離調(diào)控生物鐘的具體分子機(jī)制。
ATXN2 作為RNA結(jié)合蛋白，傾向于結(jié)合mRNA中尿苷豐富的區(qū)域，尤其是特異性地與AUUUU/A motif結(jié)合。作者發(fā)現(xiàn)，PER2（Period基因家族成員，是調(diào)控晝夜節(jié)律的核心基因之一） mRNA的3'非翻譯區(qū)富含該段序列。借助ATXN2體外液-液相分離（LLPS）的特性，研究人員證實(shí)ATXN2凝聚體能特異性招募富含該motif的節(jié)律分子RNA，而其他對照相分離液滴不具備該特性。在SCN中，同樣可以觀察到ATXN2凝聚體與PER2 mRNA的共定位。
圖3 ATXN2凝聚體在SCN中與PER2 mRNA共定位
研究人員利用體外翻譯系統(tǒng)證明ATXN2相分離能促進(jìn)PER2 mRNA的翻譯，并且在細(xì)胞內(nèi)可以直接觀察到PER2蛋白在ATXN2 凝聚體中合成的過程，這些結(jié)果建立起相分離和翻譯調(diào)控的因果關(guān)系。
圖4 利用SunTag技術(shù)觀察PER2蛋白在ATXN2凝聚體中合成
最后，研究人員將所發(fā)現(xiàn)的機(jī)制在動物層面進(jìn)行了驗(yàn)證。他們對野生型和ATXN2/2L基因敲除小鼠進(jìn)行了運(yùn)動節(jié)律行為檢測，并比較了節(jié)律參數(shù)的變化。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在SCN中條件性敲除ATXN2或ATXN2L后，小鼠晝夜節(jié)律的周期長度發(fā)生相反方向的變化，而當(dāng)兩個基因同時敲除后，小鼠節(jié)律的穩(wěn)定性顯著下降。
綜上，此項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)ATXN2和ATXN2L在細(xì)胞內(nèi)發(fā)生相分離，且其相分離隨晝夜節(jié)律振蕩，闡釋了其相分離形成的液滴隨節(jié)律振蕩并依序招募、富集一系列RNA相關(guān)的生物過程，并在振蕩高峰期募集核糖體和特異RNA，促進(jìn)關(guān)鍵節(jié)律蛋白的翻譯。這個在翻譯上的加速環(huán)節(jié)，在整個TTFL中起到了穩(wěn)定和精確調(diào)控節(jié)律周期的作用。
圖5 ATXN2/2L相分離調(diào)控節(jié)律性蛋白翻譯的分子機(jī)制模型圖
之前關(guān)于轉(zhuǎn)錄調(diào)控的研究表明，不同蛋白凝聚體在轉(zhuǎn)錄過程的不同階段，包括起始、延伸和終止階段發(fā)揮功能。本研究中揭示的相分離對于翻譯起始階段的促進(jìn)，進(jìn)一步支持了細(xì)胞內(nèi)信息液相流動(liquid information flow)的模型。本文中隨晝夜節(jié)律振蕩的相分離系統(tǒng)，也為未來研究相分離對各種細(xì)胞活動的時空調(diào)節(jié)提供全新的視角。此外，ATXN2是一個與多種神經(jīng)退行性疾病密切相關(guān)的蛋白，因此本研究也對未來的疾病研究具有指導(dǎo)意義。
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院吝易實(shí)驗(yàn)室2019級博士研究生莊妍榕為第一作者，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院2018級博士研究生李志原、2021級熊詩玥、與2018級孫楚杰為本文的共同第一作者。本研究得到了國家自然科學(xué)基金委員會、科技部、膜生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、生物信息學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的大力支持。
