細(xì)胞內(nèi)廣泛存在相分離（Phase Separation）現(xiàn)象，成千上萬(wàn)的蛋白或核酸分子在復(fù)雜的細(xì)胞內(nèi)部形成一個(gè)一個(gè)無(wú)膜“隔間”，就像油滴在水中一樣，彼此互不干擾地參與細(xì)胞內(nèi)如轉(zhuǎn)錄調(diào)控、應(yīng)激、蛋白質(zhì)質(zhì)量控制、DNA復(fù)制等多種重要的生物學(xué)過(guò)程。1,6-己二醇（1,6-HD）是一種能夠使得相分離液滴溶解的化學(xué)小分子，它是目前唯一的能同時(shí)破壞多種相的工具，所以非常有潛力應(yīng)用于研究全局層面上相分離現(xiàn)象與其他生物學(xué)進(jìn)程或結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。但是，在不同的研究中，1,6-HD的應(yīng)用條件千差萬(wàn)別，沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，某些條件甚至?xí)?dǎo)致細(xì)胞凋亡、蛋白異常凝集、細(xì)胞皺縮、染色質(zhì)“凍結(jié)”等副作用，這大大阻礙了這一工具的應(yīng)用。
另一方面，真核細(xì)胞的染色質(zhì)會(huì)以特定的形式折疊在細(xì)胞核內(nèi)，在空間上形成有序的三維結(jié)構(gòu)，這些三維結(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)胞生命活動(dòng)至關(guān)重要，與細(xì)胞命運(yùn)決定和疾病發(fā)生都有關(guān)系。那么染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)是如何被有序組織起來(lái)的呢？一直有假說(shuō)認(rèn)為相分離在其中發(fā)揮了功能，但目前只有間接的或點(diǎn)例的證據(jù)，缺乏全局水平上研究。
8月17日，我校中山醫(yī)學(xué)院丁俊軍課題組在Genome Biology發(fā)表了題為“Time-dependent effect of 1,6-hexanediol on biomolecular condensates and 3D chromatin organization”的文章，首次系統(tǒng)測(cè)試并報(bào)道了一個(gè)適用于多種細(xì)胞系、副作用較小的1,6-HD應(yīng)用條件（1.5%, 2 min），并繪制了1,6-HD處理下動(dòng)態(tài)的染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)圖譜，用于探究相分離和染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的關(guān)系。
在該項(xiàng)工作中，研究人員首先在小鼠胚胎干細(xì)胞（mESCs）中測(cè)試了不同濃度和時(shí)間的1,6-HD處理對(duì)多種相分離液滴、細(xì)胞活力、細(xì)胞核體積和染色質(zhì)動(dòng)態(tài)性的影響。文章發(fā)現(xiàn)，1.5%的1,6-HD對(duì)相分離液滴具有時(shí)間依賴(lài)效應(yīng)，短時(shí)間處理使得相分離液滴溶解，而長(zhǎng)時(shí)間處理則使得其重建（圖1），另外更高濃度（5%和10%）的1,6-HD在短時(shí)間處理（2 min）時(shí)已經(jīng)會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的細(xì)胞凋亡。因此，該研究首次系統(tǒng)測(cè)試了1,6-HD的條件并報(bào)道了低濃度、短時(shí)間（1.5%, 2min）是優(yōu)化的1,6-HD應(yīng)用條件，這一條件在多種細(xì)胞系中都能在不導(dǎo)致細(xì)胞凋亡、不影響細(xì)胞核體積和染色質(zhì)動(dòng)態(tài)性的情況下破壞相分離，可以應(yīng)用于研究相分離與其他生物學(xué)進(jìn)程之間的關(guān)系。
圖1 1,6-HD對(duì)相分離液滴的時(shí)間依賴(lài)效應(yīng)
研究人員進(jìn)而繪制了低濃度1,6-HD處理下時(shí)間動(dòng)態(tài)的染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)圖譜，首次描述了相分離溶解和重建過(guò)程中染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化。研究結(jié)果表明，短時(shí)間1,6-HD處理會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)距離互作減弱、短距離互作增加、基因組區(qū)室化增強(qiáng)、激活的基因組區(qū)室（Compartment A）內(nèi)部互作更加均勻、抑制的基因組區(qū)室（Compartment B）向Compartment A轉(zhuǎn)變、拓?fù)湎嚓P(guān)結(jié)構(gòu)域（TAD）重組，而長(zhǎng)時(shí)間的1,6-HD處理則具有相反的影響，這些結(jié)果說(shuō)明1,6-HD對(duì)不同層級(jí)的染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的影響也具有時(shí)間依賴(lài)效應(yīng)，這將相分離與染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來(lái)。
除了分析1,6-HD對(duì)整體的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響，該研究還結(jié)合ChIP-seq數(shù)據(jù)鑒定了相分離組分富集的染色質(zhì)相互作用。文章發(fā)現(xiàn)這些相互作用都是較長(zhǎng)距離的，而且在1,6-HD處理之后劇烈減弱了。這些結(jié)果支持了一個(gè)新的模型，即相分離是通過(guò)維持長(zhǎng)距離的染色質(zhì)相互作用來(lái)維持不同層級(jí)的染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的。
該項(xiàng)研究提供了一個(gè)優(yōu)化的1,6-HD應(yīng)用條件，有助于未來(lái)相分離的功能研究?；谶@個(gè)條件，研究探討了相分離與染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的關(guān)系。該項(xiàng)研究?jī)?yōu)化了有力的研究工具，豐富了我們對(duì)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，也為未來(lái)進(jìn)一步研究特定的相分離液滴對(duì)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的具體影響提供了資源。
丁俊軍課題組的博士研究生劉心儀和姜少帥博士為本文共同第一作者。丁俊軍教授為這篇文章的唯一通訊作者。
論文鏈接：https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-021-02455-3
