预建立的ATF4占据与染色质构架指导整合应激反应中的选择性转录激活

《Nature Communications》：Pre-established ATF4 occupancy and chromatin organization instruct selective transcription activation during integrated stress response

本研究针对细胞如何在应激条件下快速重塑转录组的机制难题，通过多组学分析揭示了整合应激反应（ISR）中转录因子ATF4通过预占据靶基因位点并与CEBPγ异源二聚化，在预先形成的染色质结构框架内驱动选择性转录激活的新范式。该发现阐明了染色质固有特性在应激转录编程中的主导作用，为理解应激反应的可逆性和特异性提供了重要理论依据。

　　

当细胞遭遇营养匮乏、氧化损伤等压力时，会迅速启动应激反应程序，通过大规模转录重编程来维持生存。这种重编程需要满足快速、可逆且特异性的严苛要求，但其背后的调控机制尚未完全阐明。整合应激反应（ISR）作为细胞应对多种压力的核心通路，其关键转录因子ATF4如何在短时间内精准激活特定基因表达，而不引起持久性染色质改变，成为领域内关注的重点。

为揭示这一机制，研究人员开展了一项系统性研究，通过多组学技术动态解析了ISR诱导过程中的转录组、表观遗传和三维基因组变化。研究发现，ATF4在非应激条件下就已预占据数百个与蛋白稳态相关基因的启动子区域，这些预占据位点在应激后表现出更强烈的转录激活。令人意外的是，这种激活并不依赖于H3K27乙酰化水平升高、染色质可及性增加或增强子-启动子环的重塑，而是与CEBPγ从非ATF4位点向特定ATF4结合位点的重新分布密切相关。

进一步分析表明，CEBPγ优先富集于具有独特高阶染色质结构特征的ATF4预占据位点，形成ATF4/CEBPγ异源二聚体驱动转录激活。这些位点所处的染色质区域呈现出相对松散的空间构象，可能为异源二聚体的结合提供了有利环境。研究还发现，虽然ISR诱导引起了部分拓扑相关结构域（TAD）和染色质环的改变，但这些变化与ATF4结合及转录激活无直接关联，表明ATF4主要是在预先建立的染色质架构内行使功能。

关键技术方法包括：利用RNA-seq分析时间序列转录组动态；通过CUT&Tag技术绘制ATF4及其异源二聚化伴侣（CHOP、CEBPβ、CEBPγ）的全基因组结合图谱；采用ATAC-seq评估染色质可及性变化；运用Hi-C技术解析三维基因组架构；结合免疫共沉淀-质谱联用（IP-MS）鉴定ATF4相互作用蛋白。

渐进性转录重编程与ATF4水平升高相关

研究人员使用毒胡萝卜素（Thap）诱导C2C12细胞ISR模型，发现ATF4蛋白在2小时即开始升高，6小时达到峰值。RNA-seq显示应激相关基因表达随时间推移显著上调，6小时时转录重编程最为显著，且这种变化在应激解除后可逆。

ATF4通过预占据和新获得位点激活转录

CUT&Tag分析发现ATF4结合位点可分为应激前已存在的“预占据”位点和应激后新出现的“获得”位点。预占据位点与蛋白稳态相关基因关联，而获得位点更多涉及细胞周期等过程。值得注意的是，预占据位点相关的基因在应激后表现出更强烈的转录激活。

转录激活不依赖染色质可及性和H3K27Ac变化

尽管全基因组范围内检测到H3K27Ac和ATAC-seq峰值的改变，但大多数ATF4结合位点并未发生显著的染色质可及性或组蛋白乙酰化水平变化。这表明ATF4介导的转录激活具有不依赖经典表观遗传重塑的特性。

ATF4在预形成的3D基因组框架内激活转录

Hi-C分析显示ISR诱导后部分TAD边界和染色质环发生改变，但这些变化与ATF4结合位点无显著关联。预存在的增强子-启动子环在应激前后保持稳定，而关联基因的表达却显著上调，证实ATF4是在预先建立的三维基因组框架内发挥作用。

CEBPγ重分布决定选择性转录激活

通过比较ATF4异源二聚化伴侣的结合模式，发现CEBPγ在应激后特异性富集于部分ATF4位点（定义为class 1位点），其富集程度与基因激活水平正相关。CEBPγ敲低实验证实其对应激基因激活的必要性。有趣的是，class 1位点具有独特的高阶染色质组织特征——处于相对松散的染色质环境中，这可能是ATF4/CEBPγ异源二聚体优先靶向的结构基础。

本研究揭示了ISR中转录重编程的新范式：应激反应的特异性和可逆性主要由预先建立的染色质属性所决定。ATF4通过预占据靶基因位点，并与CEBPγ形成异源二聚体在特定染色质结构环境中驱动转录激活，而非通过大规模重塑染色质景观。这一发现不仅深化了对ISR调控机制的理解，也为其他应激反应通路的研究提供了新视角，阐明细胞如何利用固有基因组特性实现快速、可逆的转录适应。