谱绘细胞内的“冰与火之歌”：揭开HSF1调控热休克过程的神秘面纱

热休克反应是生物体用来抵御环境压力、维持生命活动中蛋白质稳态至关重要的机制。热休克会导致细胞内众多蛋白质结构和功能损伤，而此时，细胞会启动热休克应答快速表达热休克蛋白，这些热休克蛋白可阻止蛋白质错误折叠和聚集以响应升高的温度和其他压力触发的蛋白质稳态失衡。

在剧烈的应激引起的热休克反应期间，热休克转录因子HSF1经历了复杂的激活调控进而快速且广泛的调控热休克蛋白的转录，然而，HSF1精确且复杂的调控过程仍然是神秘未知的。

2022年3月7日，北京大学孙育杰课题组与北京安贞医院心肺研究所邵世鹏博士合作，在Nature Cell Biology杂志上在线发表题为“Reversible phase separation of HSF1 is required for an acute transcriptional response during heat shock”的文章。研究团队综合使用超分辨显微成像、体外重构和多组学等技术，建立了一个精细调节HSF1相分离的模型，揭示了转录因子HSF1相分离在细胞快速应答热激压力下的作用机制，完善了热休克中HSPs基因表达调控的模型。

生理条件下，HSF1与热休克蛋白以复合物形式存在，此时的HSF1并不具备驱动转录的活性。细胞受到热刺激后，热休克会诱导HSF1在细胞核内形成应激颗粒/小体（nuclear stress body，nSB），它们通常被视为热休克反应的指标。

然而，研究表明，在哺乳动物细胞中的HSF1 nSB与HSP基因并不共定位[1]。相反，HSF1会驱动一类长的非编码RNA（卫星III转录本）的转录，这同时阻隔了转录机器，进而诱导全局转录抑制[2]。此外，啮齿动物细胞在热休克反应中HSF1并不形成nSB，但仍然可以激活HSP的表达响应热休克[3]。

这些都表明广泛研究的HSF1 nSB不太可能是热休克期间发生的HSP基因剧烈转录激活的主要驱动因素。因此在nSB对HSP基因转录抑制情况存在的情况下，HSF1如何快速激活HSP的转录亟待研究。

为了探究HSF1在细胞核内的分布，作者利用随机光学重建显微镜（STORM）技术量化了HSF1分子的空间分布。

结果表明，在热休克条件下，HSF1分子在细胞核中同时形成nSB和具有相分离特性的小凝聚体（直径，~300 nm），不同于与HSP基因无重叠的nSB，HSF1小凝聚体常与HSP基因位点共定位。

更进一步，基于热休克期间HSF1的翻译后修饰（PTM）调控其转录活性的报道，作者通过构建一系列突变体和体外磷酸化HSF1，阐明了特定位点的PTM驱动HSF1相分离。

为了进一步探究HSF1相分离对转录调控的影响，作者使用双色超分辨成像发现HSF1招募转录机器共相分离，形成转录活跃中心。同时，使用CutTag和高通量测序研究了HSF1液-液相分离对其靶向染色质的影响，绘制了不同条件下HSF1的全基因组结合图谱。最后，RNA测序与qPCR实验结果共同支持HSF1的相分离在激活分子伴侣基因表达中的关键作用。HSF1不仅在急性应激期间诱导分子伴侣表达，还在病理状态下广泛调节其他基因的表达，例如肿瘤和神经退行性疾病[4]。

有趣的是，作者发现肿瘤中激活状态的HSF1不能发生相分离。而热激过程中处于相分离状态的HSF1不能激活肿瘤中HSF1的靶基因，表明细胞在急性应激和慢性过程中通过不同的机制激活靶基因的表达。

近几年的研究逐步确立了相分离是激活基因表达的一种有效机制，但对于该进程如何适时终止尚缺乏研究。

在细胞经历热休克的过程中，HSF1俨然“冰与火之歌”中的“火龙”，快速驱动热休克蛋白的表达。如同在《冰与火之歌》中龙母丹妮莉丝·坦格利安在长城之外率领三条巨龙解救琼恩过程中，巨龙韦赛利昂被一记冰枪射中，醒来后，双眼却发出了冰冷的蓝光，那一刻，它从火龙幻化成了冰龙。HSF1驱动表达的热休蛋白则是由火龙转化而来的“冰龙”。

与一触即发的火龙与冰龙大战相似，作者发现HSF1靶向激活表达的分子伴侣HSP70可以负调控HSF1相分离，表现为HSP70能减弱HSF1的液-液相分离，甚至可以阻止HSF1在延长的热休克过程中发生的液固相转变，揭示了一个相分离调控基因表达的反馈机制。

HSP70负调控HSF1相分离与火龙冰龙大战相似 | 《冰与火之歌》

这项研究围绕HSF1的可诱导和可逆相分离阐明了在热休克过程中转录调控的分子机制。该机制揭示了HSF1活性的动态调节过程，即在急性应激期间有效驱动HSPs基因转录并在热休克停止后适时终止转录，维持细胞内蛋白质稳态。基于HSF1的动态调控谱绘了细胞内的“冰与火之歌”。

感谢孙育杰研究员对本文的支持。

（共同）通讯作者 孙育杰: 膜生物学国家重点实验室、北京大学生物医学前沿创新中心（BIOPIC）、北京大学未来技术学院国家生物医学成像科学中心研究员。

（共同）通讯作者 邵世鹏：四川大学生物工程学士毕业，北京大学生物学博士毕业，北京大学博雅博士后，现为北京安贞医院心肺研究所助理研究员。

（共同）第一作者 张宏晨：北京大学博士研究生。

（共同）第一作者 邵世鹏：北京安贞医院博士。

发布期刊《自然·细胞生物学》Nature Cell Biology

发布时间 2022年3月7日

论文题目Reversible phase separation of HSF1 is required for an acute transcriptional response during heat shock

（DOI：https://doi.org/10.1038/s41556-022-00846-7）