Genome Biol︱丁俊军团队系统绘制相分离溶解与重建过程的染色质三维结构图谱
撰文︱刘心仪
责编︱王思珍
相分离（Phase Separation）是一种生活中常见的物理现象，典型的例子是把油点在水里，二者不会互溶，相分离指的就是这种两种物质混合后仍相互分离的状态。相分离现象在细胞内广泛存在，成千上万行使特定功能的蛋白或核酸分子在复杂的细胞内部聚集成一个一个分开的液滴，彼此互不干扰地参与细胞内如转录调控、应激、蛋白质质量控制、DNA复制等多种重要的生物学过程【1, 2】。
1,6-己二醇（1,6-HD）是一种能够通过破坏弱的疏水相互作用使得相分离液滴溶解的化学小分子，它是目前唯一的能同时破坏多种相的工具，所以非常有潜力应用于研究全局层面上相分离现象与其他生物学进程或结构之间的关系【3】。但是，在不同的研究中，1,6-HD的应用条件千差万别，没有统一的标准，某些条件甚至会导致细胞凋亡、蛋白异常凝集、细胞皱缩、染色质“冻结”等副作用，这大大阻碍了这一工具的应用【3-5】。
另一方面，真核细胞的染色质会以特定的形式折叠在细胞核内，在空间上形成有序的三维结构，染色质三维结构对细胞生命活动至关重要，与细胞命运决定和疾病发生都有关系【6, 7】。那么，染色质三维结构是如何被有序组织起来的呢？一直有假说认为相分离在其中发挥了功能【8, 9】，但目前只有间接的或点例的证据，缺乏全局水平上研究。
2021年8月17日，中山大学丁俊军课题组在Genome Biology 发表了题为Time-dependent effect of 1,6-hexanediol on biomolecular condensates and 3D chromatin organization的文章，刘心仪和姜少帅为文章共同第一作者，丁俊军教授为唯一通讯作者。研究首次系统测试并报道了一个适用于多种细胞系、副作用较小的1,6-HD应用条件（1.5%, 2 min），并绘制了1,6-HD处理下动态的染色质三维结构图谱，用于探究相分离和染色质三维结构的关系。
在该项工作中，研究人员首先在小鼠胚胎干细胞（mESCs）中测试了不同w/v浓度和时间的1,6-HD处理对多种相分离液滴、细胞活力、细胞核体积和染色质动态性的影响。文章发现，1.5%的1,6-HD对相分离液滴具有时间依赖效应，短时间处理使得相分离液滴溶解，而长时间处理则使得其重建（图1），另外更高浓度（5%和10%）的1,6-HD在短时间处理（2 min）时已经会导致严重的细胞凋亡。因此，该研究首次系统测试了1,6-HD的条件并报道了低浓度、短时间（1.5%, 2 min）是优化的1,6-HD应用条件。进一步的实验验证也表明，这一条件在多种细胞系中都能在不导致细胞凋亡、不影响细胞核体积和染色质动态性的情况下破坏相分离，可以应用于研究相分离与其他生物学进程之间的关系。
（图片来源：丁俊军实验室）
研究人员进而绘制了低浓度1,6-HD处理下时间动态的染色质三维结构图谱，首次描述了相分离溶解和重建过程中染色质结构的变化。研究结果表明，短时间（2，5 min）的1,6-HD处理会导致长距离互作减弱、短距离互作增加、基因组区室化增强、激活的基因组区室（Compartment A）内部互作更加均匀、抑制的基因组区室（Compartment B）向Compartment A转变、拓扑相关结构域（TAD）重组，而长时间（10，30 min）的1,6-HD处理则具有相反的影响（图2），这些结果说明：1,6-HD对不同层级的染色质三维结构的影响也具有时间依赖效应，这将相分离与染色质三维结构联系起来。
（图片来源：丁俊军实验室）
除了分析1,6-HD对整体的染色质结构的影响，该研究还结合ChIP-seq数据鉴定了相分离组分富集的染色质相互作用。文章发现，这些相互作用都是较长距离的，而且在低浓度1,6-HD处理（请补充：什么浓度（即低或高浓度），什么时间（即短时间或长时间））之后剧烈减弱了（图3）。这些结果支持了一个新的模型，即相分离是通过维持长距离的染色质相互作用来维持不同层级的染色质三维结构的。
图3. 1,6-HD处理对生物分子凝聚物富集的染色质互作的影响
（图片来源：丁俊军实验室）
研究通过系统测试找到了一个优化的1,6-HD应用条件，并绘制了相分离溶解和重建过程的染色质三维结构图谱，通过解析这个图谱，研究探讨了相分离如何参与调控不同层级的染色质三维结构。
当然，虽然该研究在多种细胞中证明了1.5%, 2 min这个优化条件的可行性，但它不一定适用于所有的细胞类型。所以，当将1,6-HD用于其他细胞系的时候可以先以这个条件为参考做一些测试。
总之，该研究优化了有力的相分离研究工具，丰富了人们对染色质结构的认识，也为了进一步研究特定类型的相分离液滴对染色质结构的具体影响提供了资源。
原文连接： https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-021-02455-3
课题组合影
（图片来源：丁俊军实验室）
丁俊军课题组的博士研究生刘心仪和姜少帅博士为本文共同第一作者。丁俊军教授为这篇文章的唯一通讯作者。丁俊军教授是中山大学教育部干细胞与组织工程重点实验室独立PI，研究工作主要集中在胚胎干细胞、体细胞重编程以及早期胚胎发育的表观遗传学调控机制。丁俊军课题组长期招聘副教授、博士后，也招收博士生、硕士生等，方向为：生物信息学、干细胞、分子生物学等。课题组网页：stemcellding.org
【2】Autophagy︱张志东团队揭示STING1诱导自噬调控RNA病毒感染的新机制
【3】Nature︱星形胶质细胞来源的IL-3调控小胶质细胞功能, 缓解AD病理变化和认知障碍
【4】JCI︱高天明课题组揭示前额叶皮层在调控焦虑和恐惧中具有相反作用的神经回路
【5】eLife︱单细胞测序和神经环路分析联合揭示大脑启动攻击/防御本能行为的分子遗传编码机制
【6】Nature︱前沿! GluDs将不同突触前信号转导到不同突触后受体应答的机制
【7】Neurosci Bull︱条件性社交恐惧模型: 在小鼠中诱导强烈且特异的社交恐惧
【8】Neuron︱小胶质细胞C9orf72基因缺失促进突触丢失, 学习记忆缺陷的新机制
参考文献（上下滑动查看）
【1】Banani SF, Lee HO, Hyman AA, Rosen MK. Biomolecular condensates: organizers of cellular biochemistry. Nat Rev Mol Cell Biol. 2017;18(5):285–98.
【2】Sabari BR, Dall'Agnese A, Young RA. Biomolecular condensates in the nucleus. Trends Biochem Sci. 2020;45(11):961–77.
【3】Kroschwald S, Maharana S, Alberti S. Hexanediol: a chemical probe to investigate the material properties of membrane-less compartments. Matters. 2017.
【4】Ming Y, Chen X, Xu Y, Wu Y, Wang C, Zhang T, et al. Targeting liquid-liquid phase separation in pancreatic cancer. Transl Cancer Res. 2019;8(1):96–103.
【5】Itoh Y, et al. 1,6-hexanediol rapidly immobilizes and condenses chromatin in living human cells. Life Sci Alliance. 2021;4.
【6】Bonev B, Cavalli G. Organization and function of the 3D genome. Nat Rev Genet. 2016;17(11):661–78.
【7】Li R, Liu Y, Hou Y, Gan J, Wu P, Li C. 3D genome and its disorganization in diseases. Cell Biol Toxicol. 2018;34(5):351–65.
【8】Erdel F, Rippe K. Formation of Chromatin Subcompartments by Phase Separation. Biophys J. 2018 May 22;114(10):2262-2270.
【9】Stadhouders R, Filion GJ, Graf T. Transcription factors and 3D genome conformation in cell-fate decisions. Nature. 2019 May;569(7756):345-354.
制版︱王思珍
本文完