作为各种生物体用来抵御环境压力的保守机制，热休克反应对于维持生命活动中蛋白质稳态至关重要。热休克反应的核心环节涉及分子伴侣的转录，这些分子伴侣可防止蛋白质错误折叠和聚集以响应升高的温度和其他压力触发的蛋白质稳态失衡。在剧烈的应激引起的热休克反应期间，热休克转录因子HSF1经历了复杂而精密的翻译后修饰进而快速且广泛的调控转录。热休克蛋白不但调控细胞的热响应过程，而且在多种疾病中有重要作用。在神经退行性疾病中，HSF1低表达导致热休克蛋白表达量降低，加重蛋白质的错误折叠。而在多种肿瘤中，HSF1过度激活，引起相关促癌基因的高表达。然而，HSF1精确且复杂的调控过程仍然是神秘未知的。

热休克会诱导细胞核内应激颗粒/小体（nuclear stress body，nSB）的产生，它们通常被视为热休克反应的指标。然而，研究表明，不同于酵母细胞中HSF1应激颗粒存在于伴侣基因位点，在哺乳动物细胞中的HSF1 nSB与HSP基因并不共定位【1】。相反，这些巨大的nSB在热休克期间驱动一类长的非编码RNA（卫星III转录本）的产生，这同时阻隔了转录机器，进而诱导全局转录抑制【2】。此外，啮齿动物细胞在热休克反应中并不形成nSB，但仍然可以激活HSP的表达响应热休克【3】。这些都表明广泛研究的HSF1 nSB不太可能是热休克期间发生的HSP基因剧烈转录激活的主要驱动因素。因此在nSB对HSP基因转录抑制情况存在的情况下，HSF1如何快速激活HSP的转录亟待研究。作者利用随机光学重建显微镜（STORM）技术量化了HSF1分子的空间分布。结果表明，在热休克条件下，HSF1分子在细胞核中同时形成nSB和小的凝聚体（直径，~300 nm），不同于与HSP基因无重叠的nSB，这些HSF1小的凝聚体常与HSP基因位点共定位。

基于热休克期间HSF1的翻译后修饰（PTM）调控其转录活性的报道，作者通过构建一系列突变体和体外磷酸化HSF1，阐明了特定位点的PTM驱动HSF1相分离。为了进一步探究HSF1相分离对转录调控的影响，作者使用双色超分辨成像发现HSF1招募转录机器共相分离，形成转录活跃中心。同时，使用Cut&Tag和高通量测序研究了HSF1液-液相分离对其靶向染色质的影响，绘制了不同条件下HSF1的全基因组结合图谱。结果显示，相分离可以显著促进HSF1靶向染色质，而相分离缺陷的突变体结合染色质效率显著降低。最后，RNA测序与qPCR实验结果共同支持HSF1的相分离在激活分子伴侣基因表达中的关键作用。HSF1不仅在急性应激期间诱导分子伴侣表达，还在病理状态下广泛调节其他基因的表达，例如肿瘤和神经退行性疾病【4】。有趣的是，作者发现肿瘤中激活状态的HSF1不能发生相分离。而热激过程中处于相分离状态的HSF1不能激活肿瘤中HSF1的靶基因，表明细胞在急性应激和慢性过程中通过不同的机制激活靶基因的表达。

近几年的研究逐步确立了相分离是激活基因表达的一种有效机制，但对于该进程如何适时终止尚缺乏研究。作者发现HSF1靶向激活表达的分子伴侣HSP70可以负调控HSF1相分离，表现为HSP70能减弱HSF1的液-液相分离，甚至可以阻止HSF1在延长的热休克过程中发生的液固相转变，揭示了一个相分离调控基因表达的反馈机制。

综合以上结果，该研究围绕HSF1的可诱导和可逆相分离阐明了在热休克过程中转录调控的分子机制。该机制揭示了HSF1活性的动态调节过程，即在急性应激期间有效驱动HSPs基因转录并在热休克停止后适时终止转录，维持细胞内蛋白质稳态。

北京大学博士研究生张宏晨和北京安贞医院心肺研究所邵世鹏博士为文章第一作者，邵世鹏博士和孙育杰教授为本文通讯作者。北京安贞医院曾勇教授，北京大学博士研究生王啸天、覃艺芝，中国科学技术大学项晟祺教授、博士研究生任秋楠，北京大学肖俊宇教授、王禹心博士等对本文做出了重要贡献。

相关论文信息：

https://www.nature.com/articles/s41556-022-00846-7

参考文献