揭示MAPK信號、染色質(zhì)和轉(zhuǎn)錄因子之間的相互作用（2020.6.27 Plant Biotechnology Journal ）

所有細(xì)胞生命的一項(xiàng)重要功能是感知周圍環(huán)境并適應(yīng)其變化的能力。細(xì)胞外環(huán)境的變化將誘導(dǎo)由信號轉(zhuǎn)導(dǎo)級聯(lián)協(xié)調(diào)的特殊細(xì)胞反應(yīng)，接收來自質(zhì)膜傳感器的信號。通過誘導(dǎo)涉及數(shù)百個基因的復(fù)雜轉(zhuǎn)錄程序，這些信息被轉(zhuǎn)化為一種生物反應(yīng)。因此，信號的嚴(yán)格調(diào)控對于確保基因表達(dá)的正確的時間調(diào)節(jié)至關(guān)重要，否則就會改變細(xì)胞的生理機(jī)能。在真核細(xì)胞中，細(xì)胞外信號整合通常是由Mitogen-Activated Protein Kinases（MAPK）進(jìn)行的，盡管MAPK信號活性很強(qiáng)，但下游基因表達(dá)在單個細(xì)胞之間表現(xiàn)出很大的差異性。對單細(xì)胞的分析顯示，受相同信號活動調(diào)控的基因在其轉(zhuǎn)錄反應(yīng)中表現(xiàn)出高度的可變性。

近日，Nature Communications雜志在線發(fā)表了瑞士洛桑大學(xué)基礎(chǔ)微生物學(xué)系Victoria Wosika團(tuán)隊(duì)題為“Single-particle imaging of stress-promoters induction reveals the interplay between MAPK signaling，chromatin and transcription factors”的研究論文。為了更深入地了解滲透應(yīng)力基因表達(dá)動力學(xué)的調(diào)控，他們使用有活性的mRNA報告器，監(jiān)測高滲透壓下的釀酒酵母的轉(zhuǎn)錄動態(tài)。

在真核細(xì)胞中，高度保守的MAPK介導(dǎo)各種環(huán)境刺激。它們控制廣泛的細(xì)胞反應(yīng)，如細(xì)胞增殖、分化或凋亡。在酵母中，高滲透壓甘油（HOG）途徑感知到培養(yǎng)基滲透壓的突然增加，這導(dǎo)致MAPK Hog1的激活。在高滲透脅迫下，Hog1的激酶活性通過驅(qū)動內(nèi)部甘油濃度的增加促進(jìn)細(xì)胞對新環(huán)境的適應(yīng)，從而允許平衡內(nèi)部和外部滲透壓力。與細(xì)胞質(zhì)活性平行的是，Hog1也短暫地積聚到細(xì)胞核中，誘導(dǎo)數(shù)百個滲透脅迫響應(yīng)基因的表達(dá)。MAPK被轉(zhuǎn)錄因子（TFs）招募到啟動子區(qū)域，反過來，Hog1招募染色質(zhì)重塑復(fù)合物、啟動前復(fù)合物和RNA聚合酶II（PolII）來觸發(fā)基因表達(dá)。一旦細(xì)胞適應(yīng)，Hog1被滅活并離開細(xì)胞核，轉(zhuǎn)錄停止，染色質(zhì)在HOG誘導(dǎo)的基因位點(diǎn)迅速重組。對這一途徑的生化分析已經(jīng)確定了參與基因表達(dá)的關(guān)鍵因素，以及MAPK在所有這些步驟中發(fā)揮的核心作用。與此同時，單細(xì)胞測量也揭示了它們表達(dá)中的巨大變異性。特別是，翻譯報告和RNA-FISH測量已經(jīng)確認(rèn)，由MAPK在每個個體位點(diǎn)促進(jìn)的緩慢染色質(zhì)重塑在許多應(yīng)激反應(yīng)基因的激活中產(chǎn)生強(qiáng)烈的內(nèi)在噪音。

在該研究中，科研人員通過PP7噬菌體外殼蛋白試驗(yàn)監(jiān)測mRNA的生成。該報告能夠以高時間分辨率和全自動的方式測量數(shù)百個活單細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄波動。這種分析能夠剖析不同的參與者對整體轉(zhuǎn)錄輸出的貢獻(xiàn)。他們發(fā)現(xiàn)MAPK Hog1的短暫活動打開了一個時間窗口，在那里應(yīng)激反應(yīng)基因可以被激活。Hog1最初幾分鐘的活性對控制啟動子的激活是必不可少的。基因座上的染色質(zhì)抑制減慢了這種轉(zhuǎn)變并導(dǎo)致了基因表達(dá)的可變性，而與轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合提高了轉(zhuǎn)錄水平。然而，在Hog1活性達(dá)到峰值后不久，負(fù)調(diào)控因子促進(jìn)染色質(zhì)的封閉，轉(zhuǎn)錄逐漸停止。結(jié)果表明MAPK最初幾分鐘的活性將決定一個基因是否被轉(zhuǎn)錄，啟動子的染色質(zhì)狀態(tài)將控制激活的時間，從而控制轉(zhuǎn)錄的可變性。