HP1蛋白相分离能力的进化衰减：从裂殖酵母到哺乳动物异染色质组织功能的演变

本研究针对异染色质蛋白1(HP1)在不同物种中相分离能力的进化差异展开研究。研究人员通过比较裂殖酵母Swi6、果蝇HP1a和小鼠HP1α的相分离行为，发现HP1的内在无序性和相分离能力从低等到高等生物逐渐减弱，揭示了哺乳动物HP1β通过异源二聚化抑制相分离的新机制。该研究阐明了相分离在染色质空间组织中的进化调控模式，为理解核内区室化形成提供了重要线索。

　　

在真核生物的细胞核中，异染色质如何形成高度凝聚的结构一直是个迷人的谜题。过去十年里，科学家们发现液-液相分离(LLPS)可能是驱动异染色质区室化的重要机制，但不同实验室关于异染色质蛋白1(HP1)相分离能力的报道却存在矛盾。更令人困惑的是，从简单的裂殖酵母到复杂的哺乳动物，虽然都含有HP1蛋白家族成员，但这些蛋白在维持异染色质结构中的作用似乎存在显著差异。这些现象引出了一个关键科学问题：HP1介导的染色质组织机制是否在进化过程中发生了根本性改变？

来自法国图卢兹癌症研究中心的San8a Bensaha、Dominika Lewandowska等研究人员在《Nature Communications》发表的研究，通过系统比较裂殖酵母Swi6、果蝇HP1a和小鼠HP1α的相分离行为，揭示了HP1功能演化的分子基础。研究团队采用多学科交叉方法，发现HP1的相分离能力随着物种进化逐渐减弱，这种衰减与两个关键因素相关：HP1蛋白内在无序性的降低，以及拮抗相分离的HP1旁系同源蛋白（如HP1β）在高等生物中的表达增加。

研究人员主要运用了以下关键技术：1) 结合尺寸排阻色谱和小角X射线散射(SEC-SAXS)分析蛋白结构；2) 模型校准半漂白(MOCHA-FRAP)技术定量相分离动力学；3) 荧光各向异性测定蛋白二聚化状态；4) 建立稳定表达细胞系进行活细胞成像；5) RNA测序分析异染色质凝聚对基因表达的影响。

HP1的固有无序性随进化逐渐降低
通过PONDR软件预测和SEC-SAXS实验证实，裂殖酵母Swi6的无序程度最高，其次为果蝇HP1a，小鼠HP1α最低。这种趋势与各物种HP1蛋白非结构区域的大小变化一致（图1b-d）。GFP标记的HP1同源物也显示出相同的结构特征（图1e），说明进化过程中HP1逐渐获得了更紧凑的结构。

HP1相分离倾向与其无序程度相关
在低离子强度条件下，三种HP1同源物都能形成相分离液滴，但所需浓度差异显著：裂殖酵母Swi6在50μM即可相分离，而果蝇和小鼠HP1a需要更高浓度（图2a）。加入DNA后，Swi6在生理盐浓度下仍能形成大 condensates，而哺乳动物HP1α仅形成少量小结构（图2b）。MOCHA-FRAP分析显示，虽然三种蛋白形成的 condensates 具有相似的表观粘度和界面势垒（图2c），但它们的相分离阈值存在明显进化差异。

HP1旁系同源蛋白在哺乳动物中拮抗相分离
定量质谱数据分析显示，裂殖酵母和果蝇中易相分离的HP1同源物（Swi6和HP1a）占主导，而哺乳动物中不易相分离的HP1β和HP1γ更丰富（图3a）。体外实验证实，小鼠HP1β能特异性溶解HP1α condensates（图3b），但不能影响Swi6或果蝇HP1a的相分离。荧光各向异性实验揭示，HP1β通过破坏HP1α同源二聚体来抑制相分离（图3d），这一过程需要完整的chromoshadow domain（图3c,e）。时间推移成像记录了HP1β诱导的condensate溶解过程：HP1β先富集在液滴表面，随后向内渗透并最终导致结构解体（图3f-g）。

异源HP1在哺乳动物细胞中驱动异染色质凝聚
在NIH3T3细胞中表达裂殖酵母Swi6或果蝇HP1a可诱导异染色质 foci 增大并减少其数量，且呈现剂量依赖性（图4a-b）。TALE标记证实这些结构含有主要卫星重复序列（图4c）。MOCHA-FRAP检测显示，Swi6和HP1a在染色质上形成具有明显界面势垒的相分离结构，而小鼠HP1α无此特性（图4d）。引人注目的是，即使将Swi6和HP1a的结构域替换为小鼠版本，仅保留其非结构区域，仍能诱导染色质凝聚（图4e），证明相分离能力主要取决于非结构区域特性。

相分离对基因表达影响有限
RNA-seq分析发现，虽然Swi6表达导致132个基因表达改变（图6a），但这些基因并不富集在着丝粒附近（图6b），且仅16%位于组成型pericentromere-associated domains。相比之下，果蝇HP1a诱导的异染色质凝聚几乎不影响转录组。卫星重复转录本定量显示，其浓度（约300 pM）远低于体外诱导HP1相分离所需的RNA浓度（图6d），暗示相分离可能主要通过其他途径（如核力学调控）发挥作用。

这项研究系统阐明了HP1相分离能力的进化衰减规律，揭示了两种互补机制：HP1内在无序性的降低直接削弱其相分离倾向；而哺乳动物中HP1β等拮抗分子的表达增加，通过异源二聚化进一步抑制相分离。这些发现不仅解决了关于HP1相分离能力的长期争议，更重要的是提出了"相分离调控模块化进化"的新概念——真核生物可能通过调整蛋白固有特性和调控网络来精细控制相分离，从而适应日益复杂的核内区室化需求。

从裂殖酵母到哺乳动物，HP1似乎逐渐放弃了其作为"染色质建筑师"的原始角色，转而发展出更精细的表观调控功能。这种功能转变反映了真核细胞在进化过程中对相分离通路的"驯化"过程——当简单的相分离机制可能干扰日益复杂的基因调控网络时，高等生物通过多种机制对其加以约束。该研究为理解核内相分离的进化调控提供了范式，也为探索染色质组织与基因表达解耦的分子基础开辟了新方向。