转录因子与cBAF通过酪氨酸介导的共相分离选择性调控染色质重塑与基因激活

《Nature Communications》：Co-condensation between transcription factor and cBAF selectively modulates chromatin remodeling and gene expression

基因转录激活如何实现转录因子（TFs）与染色质重塑复合物cBAF在特定位点的精准整合是领域内的重要科学问题。本研究聚焦于cBAF关键亚基ARID1A，发现其通过内在无序区（IDR）中的酪氨酸残基形成生物分子凝聚体，并选择性招募含有酪氨酸的转录因子激活域（TAD）的TFs（如GATA2），实现共相分离。该共凝聚过程对维持染色质可及性、激活肺癌细胞增殖关键基因至关重要，揭示了相分离在基因表达空间调控中的核心机制。

　　

基因转录的精准激活是生命活动的核心事件，它依赖于转录因子（Transcription Factors, TFs）与染色质重塑复合物在特定基因组位点的协同作用。然而，这些关键组分是如何被招募并整合到正确位置，以开启特定基因表达的，其内在的分子机制一直笼罩在迷雾之中。cBAF（canonical BRG1/BRM-associated factor）复合物是一种重要的染色质重塑复合物，在调控染色质开放状态和基因表达中扮演着关键角色。其核心亚基ARID1A的突变在多种癌症中高频出现，暗示其在维持细胞正常功能中的极端重要性。但ARID1A如何与特定的转录因子“对话”，从而实现位点特异性的染色质重塑和基因激活，是当前领域亟待解决的关键科学问题。

近日，发表在《Nature Communications》上的一项研究为我们揭开了这一谜题的关键一环。研究人员发现，ARID1A蛋白的核心内在无序区（Intrinsically Disordered Region, IDR）通过其均匀分布的酪氨酸残基，具有发生液-液相分离（Liquid-Liquid Phase Separation, LLPS）形成生物分子凝聚体的能力。更为关键的是，一系列在其转录激活域（Transcription Activation Domain, TAD）中含有酪氨酸的转录因子（如GATA2），能够通过其TAD与ARID1A的IDR发生特异性相互作用，从而驱动两者形成共凝聚体。这种选择性共相分离现象，如同在细胞核内构建了临时的“指挥中心”，将转录机器富集于特定基因位点，进而调控染色质的可及性和基因的转录激活。该研究不仅阐明了ARID1A在空间上组织转录因子和cBAF复合物的重要功能，还确立了酪氨酸介导的选择性共凝聚作为基因激活的一种关键机制，为理解基因转录调控和疾病发生提供了新的视角。

为开展此项研究，作者团队运用了多项关键实验技术。研究涉及肺癌细胞系模型。主要技术方法包括：利用生物信息学分析预测蛋白相互作用区域；通过体外相分离重组实验验证ARID1A IDR的成 condensate 能力；使用荧光漂白恢复技术（FRAP）分析凝聚体的动态特性；采用免疫共沉淀（Co-IP）和体外Pull-down实验证实ARID1A与特定TFs（如GATA2）的直接相互作用；通过染色质免疫共沉淀测序（ChIP-seq）和测定转座酶可及性染色质的高通量测序（ATAC-seq）评估体内染色质结合和可及性变化；利用RNA测序（RNA-seq）分析基因表达谱的改变；并利用基因敲低和功能回复实验在细胞水平验证共凝聚的生物学功能。

ARID1A通过其IDR中的酪氨酸发生相分离

研究人员首先聚焦于ARID1A蛋白的结构特征，发现其包含一个大的内在无序区。对该IDR的序列分析显示，其富含均匀分布的酪氨酸残基。通过体外纯化蛋白实验，他们证实ARID1A的IDR能够在生理盐浓度和温度下自发形成液滴状的凝聚体。当将这些酪氨酸残基突变后，ARID1A的成 condensate 能力显著减弱，这表明酪氨酸是驱动ARID1A发生相分离的关键氨基酸。

含有酪氨酸TAD的转录因子与ARID1A IDR选择性相互作用并驱动共凝聚

接下来，研究团队探究了ARID1A如何与转录因子发生特异性互作。他们发现，并非任意转录因子都能与ARID1A结合，只有那些转录激活域中含有酪氨酸的转录因子（如GATA2、SOX2等）才能与ARID1A的IDR发生强相互作用。体外实验表明，纯化的GATA2蛋白的TAD能够与ARID1A的IDR共同形成共凝聚体，而这种共凝聚同样依赖于TAD中的酪氨酸残基。这一发现揭示了基于酪氨酸的分子识别密码，它确保了只有特定的转录因子才能被招募到ARID1A形成的凝聚体中，从而实现位点选择性的调控。

ARID1A-转录因子共凝聚对于维持染色质可及性和基因激活至关重要

为了验证共凝聚的生物学功能，研究者在肺癌细胞中进行了功能丧失研究。敲低ARID1A或GATA2均会导致特定基因组位点（尤其是与细胞增殖相关的基因位点）的染色质可及性降低，同时这些基因的表达水平也显著下降。重要的是，通过引入能够恢复相分离能力的ARID1A突变体（而非相分离缺陷突变体），可以有效地挽救因ARID1A敲低导致的染色质关闭和基因表达抑制表型。这直接证明了ARID1A与GATA2等转录因子的共凝聚是维持这些基因位点处于开放、活化状态所必需的。

酪氨酸介导的共凝聚机制具有普遍性

除了GATA2，研究人员还验证了其他几种在其TAD中含有酪氨酸的转录因子（如SOX家族成员）也能与ARID1A发生类似的共凝聚。这表明，酪氨酸介导的ARID1A-转录因子选择性共凝聚可能是一种相对普遍的调控机制，适用于一类特定的转录因子，从而拓展了该机制的应用范围。

综上所述，本研究得出了几个核心结论：首先，cBAF复合物的关键亚基ARID1A是一个能够发生相分离的支架蛋白，其驱动力来自于IDR中均匀分布的酪氨酸残基。其次，ARID1A通过其IDR与一类在其转录激活域中含有酪氨酸的转录因子（以GATA2为代表）发生特异性相互作用，从而实现选择性的共相分离。第三，这种共凝聚现象并非偶然，它在功能上对于在特定基因组位点维持开放的染色质状态（可及性）和激活下游基因（特别是驱动肺癌细胞增殖的基因）的表达至关重要。

在讨论部分，作者强调了这项研究的深远意义。它首次揭示了cBAF复合物通过相分离机制被招募到染色质特定位点的精确途径，将转录因子的识别、生物分子凝聚体的形成和染色质重塑功能有机地联系起来。所发现的“酪氨酸密码”为理解不同转录因子如何特异性利用相分离机制调控特定基因程序提出了新的范式。由于ARID1A在癌症中高频突变，且许多癌基因的异常表达依赖于特定的转录因子，靶向这种共凝聚过程可能为开发新的癌症治疗策略提供思路，例如设计小分子干扰特定转录因子与ARID1A的相互作用。总之，这项工作将相分离、转录调控和染色质生物学紧密地结合在一起，极大地深化了我们对基因表达精准时空调控机制的理解。