NUP98-HOXA9癌蛋白从纳米组装体到宏观相分离的构象扩张机制揭示转录调控新范式

《Nature Communications》：Differential conformational expansion of NUP98-HOXA9 oncoprotein from nanosized assemblies to macrophases

本研究针对嵌合转录因子NUP98-HOXA9（NHA9）在白血病发生中通过相分离调控转录的分子机制尚不明确的问题，通过整合单分子FRET、荧光寿命成像和粗粒化模拟等技术，系统解析了NHA9固有无序区（IDR）在不同组装状态下的构象动态。研究发现NHA9的FG结构域在单体、寡聚和相分离凝聚态中呈现连续扩张特征，其寡聚态形成非化学计量比的类胶束结构，且DNA结合域（DBD）暴露于表面。该工作首次揭示了癌蛋白在纳米簇到宏观相变过程中的构象连续变化规律，为理解转录凝聚物的功能调控提供了分子基础。

　　

在真核细胞的基因调控网络中，转录因子（Transcription Factors, TFs）如同精准的分子开关，通过识别特定DNA序列并招募转录机器，控制着基因的时空表达。绝大多数转录因子具有嵌段共聚物般的结构特征：一端是折叠有序的DNA结合结构域（DNA-binding domain, DBD），另一端则是富含固有无序区域（Intrinsically Disordered Regions, IDRs）的柔性片段。近年来，研究揭示转录因子及其协同蛋白可通过液-液相分离（Liquid-Liquid Phase Separation, LLPS）形成动态的“转录凝聚物”（Transcriptional Condensates），从而高效富集转录组件，调控基因表达。然而，对于在急性髓系白血病（Acute Myeloid Leukemia, AML）中高发的嵌合转录因子NUP98-HOXA9（NHA9）而言，其如何通过相分离驱动致癌转录程序，尤其是其固有无序区域在不同组装状态下的构象动态变化，仍是领域内亟待破解的黑箱。

为揭开这一谜题，由Hao Ruan和Rodrigo F. Dillenburg为共同第一作者，Martin Girard与Edward A. Lemke共同领导的研究团队，在《Nature Communications》上发表了题为“Differential conformational expansion of NUP98-HOXA9 oncoprotein from nanosized assemblies to macrophases”的研究论文。该工作通过多尺度技术联用，首次捕捉到NHA9从单体到纳米簇，最终到宏观凝聚物的连续构象扩张过程，并揭示其类两亲性嵌段共聚物的自组装特性，为理解癌蛋白相分离的分子机制提供了全新视角。

研究人员综合运用单分子荧光共振能量转移（smFRET）、荧光寿命成像FRET（FLIM-FRET）、荧光相关光谱（FCS）、相分离实验及粗粒化分子动力学模拟等关键技术，系统表征了NHA9的FG结构域在溶液、纳米簇和细胞凝聚物中的构象变化。其中，smFRET用于解析低浓度下单分子水平的构象波动，FLIM-FRET精准测量高背景条件下的细胞内距离，分子模拟则从原子层面揭示组装机制。

NHA9 FG结构域在稀释状态下高度紧凑

通过smFRET对五个FG结构域标记变体的测量发现，单体状态的NHA9的FG结构域呈现高度紧凑的构象，其Flory标度指数v为0.24±0.02，远低于理想链的0.5，表明强疏水相互作用导致链内塌缩。荧光寿命与能量转移效率的二维分析进一步证实了IDR的快速动态波动特性。

NHA9在亚饱和溶液中形成紧凑度降低的纳米簇

当蛋白浓度低于相分离阈值（2μM）时，FCS检测到NHA9形成单体与多分子纳米簇的双峰分布。smFRET显示纳米簇中FG结构域的转移效率峰值向低值移动，表明构象扩张。标度指数增至v=0.33±0.08，提示疏水相互作用在簇内被部分屏蔽。DNA结合实验表明，特异性HOXA9结合序列可显著抑制纳米簇形成，并轻微减小其尺寸，而疏水相互作用抑制剂1,6-己二醇则完全破坏纳米簇，证实组装由疏水作用主导。

宏观凝聚物中NHA9发生显著构象扩张

利用FLIM-FRET对体外液滴内NHA9进行测量，发现FG结构域在凝聚相中的标度指数进一步增至v=0.65±0.08，表明链在密集堆积环境下充分伸展。这种扩张可能利于与其他转录组件发生多价相互作用。

细胞内NHA9 FG结构域构象探测

通过正交翻译细胞器-遗传密码扩展（OTO-GCE）系统实现NHA9在细胞内的位点特异性标记，FLIM-FRET分析显示细胞凝聚物中FG结构域的标度指数v=0.61±0.01，与体外凝聚物结果高度一致，证实其在生理环境下同样呈现扩张构象。

分子模拟验证NHA9在纳米簇内的IDP扩张并揭示非化学计量比类胶束结构

粗粒化模拟再现了实验观测的构象扩张趋势：单链v=0.20±0.01，而50链集群中v增至0.46±0.004。密度分布分析显示，疏水IDP块富集于簇核心，而亲水DBD倾向于定位在界面，形成类胶束结构。这种非化学计量比组装使DBD暴露于表面，便于其结合DNA并可能介导远程染色质互作。

本研究系统阐明了NHA9癌蛋白在从稀释溶液到宏观相分离的连续自组装过程中，其固有无序区域发生显著的构象扩张。尤为重要的是，研究发现NHA9在亚饱和浓度下可形成非化学计量比的类胶束纳米簇，且其亲水DNA结合域暴露于表面，这一特性可能促进其在基因组上的锚定与转录激活。该工作不仅揭示了癌蛋白相分离过程中的动态构象变化规律，还提出了“弱两亲性嵌段共聚物”自组装模型，为理解众多含长无序区的转录因子（尤其是癌蛋白）的功能调控提供了新范式，对开发靶向转录凝聚物的白血病治疗策略具有重要启示。