无序连接区调控Polyhomeotic蛋白相分离与寡聚化的分子机制及其在染色质凝聚体形成中的作用

这篇研究揭示了Polycomb蛋白Polyhomeotic（Ph）中无序连接区通过调控保守的SAM结构域寡聚化来精细调节生物分子凝聚体（biomolecular condensates）形成的分子机制。作者整合体外重构、分子动力学模拟和细胞实验，发现果蝇与人类Ph变体中连接区-SAM相互作用的差异显著改变了凝聚体特性和细胞生长调控，为理解染色质组织（chromatin organization）和表观遗传记忆（epigenetic memory）的序列-功能关系提供了新视角。

　　

无序连接区在Polyhomeotic蛋白相分离中的调控作用

生物分子凝聚体（biomolecular condensates）作为染色质功能组织的关键调控者，其形成机制与序列特征的关系尚未完全阐明。Polycomb抑制复合物1（PRC1）的核心组分Polyhomeotic（Ph）通过其 sterile alpha motif（SAM）结构域介导的寡聚化驱动凝聚体形成，但连接SAM与其他结构域的无序区域（IDR）的功能长期未被解析。

连接区序列差异决定物种特异性相分离行为

通过比较果蝇与人类Ph蛋白，研究发现两者连接区序列的进化差异显著影响SAM结构域的相互作用模式。分子动力学模拟显示，人类Ph连接区能主动接触SAM，而果蝇变体则缺乏这种相互作用。这种差异直接改变了SAM的寡聚化效率：人类Ph表现出更强的多聚化倾向，而果蝇Ph则形成更动态的组装体。体外重构实验证实，连接区-SAM接触能增强相分离的临界浓度阈值，并改变凝聚体的物质状态——人类Ph形成的凝聚体具有更高粘度和更低的分子交换速率。

连接区-SAM相互作用的多层次调控机制

在细胞系统中，连接区突变实验揭示了其对PRC1亚核定位的双重调控：

1. 通过直接结合SAM抑制过度寡聚化，防止Ph蛋白的病理聚集
2. 通过电荷相互作用促进与染色质的协同相分离
   值得注意的是，SAM的聚合活性并非相分离的必要条件，但连接区对其构象的调控决定了凝聚体的功能输出。在果蝇胚胎中，破坏连接区-SAM相互作用会导致PRC1凝聚体分布异常，伴随Hox基因沉默缺陷和翅盘发育畸形，表明这种调控在表观遗传记忆传递中的保守性。

相分离与染色质架构的协同调控

Ph连接区的序列变异通过以下机制影响染色质三维组织：

• 调节SAM介导的远程染色质环（chromatin looping）稳定性
• 控制PRC1在异染色质区的停留时间
• 影响H2AK119ub修饰的扩散效率
  这种调控具有剂量敏感性——连接区突变体的表达水平变化可导致完全相反的染色质压缩表型，说明其作为分子"调谐器"的功能特性。

进化视角下的功能创新

比较分析揭示，脊椎动物Ph连接区获得的新序列模块（如带正电荷的氨基酸簇）可能适应了更复杂的染色质环境。这些进化改变使哺乳动物PRC1能响应表观修饰状态（如H3K27me3）动态调整凝聚体性质，而果蝇Ph则主要依赖RNA介导的相分离调控。这种分化提示连接区可能是PRC1功能多样化的关键进化靶点。

连接区调控的生理与病理意义

在疾病模型中，人类PHC2连接区的癌症相关突变会破坏其相分离能力，导致：

1. 多梳抑制域（Polycomb domain）的异常扩张
2. 肿瘤抑制基因的异位沉默
3. 基因组不稳定性的增加
   相反，果蝇Ph连接区的O-GlcNAc糖基化修饰被发现能拮抗其相分离倾向，暗示翻译后修饰可能通过调节连接区构象来维持PRC1功能稳态。这些发现为靶向Polycomb相分离的疾病干预提供了新思路。

技术突破与未来方向

研究建立了跨尺度分析平台，整合：

• 单分子荧光追踪（揭示连接区长度与分子扩散速率的定量关系）
• 全原子模拟（解析关键残基的相互作用网络）
• 活体成像（追踪凝聚体在发育中的时空动态）
  未来研究将聚焦连接区与其他PRC1组分（如CBX蛋白）的协同相分离机制，以及其在细胞命运决定中的时空调控规律。

这项研究确立了无序连接区作为相分离"分子调谐器"的普适性原理，为理解生物分子凝聚体的序列-功能关系提供了范式转移。