研究发现细胞内核应激小体动态组装参与调控急性炎症反应
近日，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心陈玲玲研究组解析了热休克等刺激条件下诱导产生的无膜亚结构——核应激小体的精细层级结构和动态组装过程，并揭示核应激小体通过拉近与基因的三维距离来促进NFIL3等基因转录。NFIL3上调会抑制炎症因子表达，进而参与调控急性炎症反应，该过程与脓毒血症患者生存率呈正相关。这一成果揭示了细胞核应激小体具有重要的基因表达调控功能，为脓毒血症的精准诊疗提供了新思路。
真核生物细胞核是细胞遗传与代谢的控制中心，内部高度组织化，形成诸多无膜区室，称为细胞核亚结构。这些由DNA、RNA和蛋白质组成的细胞核亚结构组成和形态各异，参与基因表达调控，具有重要的生理意义。核应激小体是灵长类动物细胞在应对如亚砷酸钠、热休克等不同理化刺激时形成的特有的细胞核亚结构，由微卫星重复序列Satellite III (SatIII) DNA、SatIII RNA和多种蛋白质组成。多年来，围绕核应激小体的研究揭示其能够通过滞留相关剪接因子参与调控RNA的选择性剪接。然而，重复性SatIII RNA序列的转录程度、核应激小体的精细结构和组装机理以及其是否具有生理病理学功能仍不清楚。
该研究组对亚砷酸钠或热休克刺激后的HeLa细胞进行了三代全长转录组测序，发现组成型沉默的SatIII DNA在全基因组15个染色体上广泛转录表达，其中9号染色体q12区域表达丰度最高。进一步，研究组利用实验室前期开发的活细胞DNA和RNA成像工具，实现了对活细胞中SatIII DNA和SatIII RNA的实时标记。研究发现，在两种刺激条件下，9号染色体SatIII异染色质区域体积显著扩张到刺激前的2倍左右，异染色质状态逐渐开放。同时，热休克转录因子HSF1迅速结合该区域并转录出SatIII非编码RNA，在100分钟后形成初始核应激小体。同时，SatIII RNA招募更多的HSF1、转录调控因子BRD4以及RNA转运/剪接因子等30余个蛋白质，组装成高度有序、具有层级结构的核应激小体。
该研究组采用酪胺信号放大测序技术标记核应激小体邻近的基因组区域，并检测刺激后细胞的基因表达变化，发现亚砷酸钠处理后有46个基因的表达可能受到核应激小体形成的影响。它们被称为SEED-UP基因。qPCR检测确认，在刺激后，这些基因在HeLa细胞和巨噬细胞系THP-1细胞中表达上调；而SatIII RNA敲降后，核应激小体结构崩解，基因的上调趋势也明显减弱。研究提示，这部分基因表达增强可能受核应激小体形成的调控。研究利用双色标记DNA荧光原位杂交及基因位点的活细胞标记发现，一些关键基因如NFIL3在核应激小体形成后，在空间上与其靠近。同时，NFIL3和GPBP1等SEED-UP基因位点处染色质可及性增强，启动子区域更易与招募至核应激小体处的转录因子HSF1和BRD4结合，共同促进这些SEED-UP基因的高效转录。
NFIL3是转录因子，抑制关键炎症因子如肿瘤坏死因子α、白细胞介素8和白细胞介素1β的表达。研究组在热休克和病原体相关分子模式刺激的人外周血单核细胞来源的巨噬细胞中观察到核应激小体形成，同时NFIL3的表达显著增强，使炎症因子可控表达。如果干扰核应激小体产生，NFIL3转录减少，下游炎症因子水平显著升高，证实了细胞核应激小体在调节炎症反应中的关键作用。
脓毒血症是由感染引发的全身性炎症反应综合症，病死率高。研究组在收集的临床样本中发现，脓毒血症患者体内有不同程度的SatIII RNA表达和细胞核应激小体产生，且NFIL3与SatIII RNA表达量和核应激小体活跃度呈正相关。此外，SatIII RNA表达高的患者生存率更高，提示细胞核应激小体形成过程可能参与抑制脓毒血症患者中炎症反应的过度增强，并表明SatIII RNA可作为脓毒血症精准治疗分型标志物，有望为此类炎症疾病治疗提供潜在靶点。
上述研究利用超高分辨率生物成像、活细胞成像、多种生化与分子生物学方法以及临床样本等研究手段，发现细胞核内组装的核应激小体能够调控急性炎症反应，揭示灵长类生命体利用产生核应激小体来应对危机的精妙策略，为脓毒血症诊疗提供了全新视角。
5月27日，相关研究成果发表在《细胞》（Cell）上。研究工作得到科学技术部和中国科学院等的支持。
论文链接
细胞核应激小体的从头组装参与调控急性炎症反应
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