开启基因可能需要一个由蛋白质组成的村庄

开启基因可能会像形成快闪族一样起作用。

6月21日，麻省理工学院的Ibrahim Cisse和他的同事在《科学》杂志上发表的两篇论文中指出，在细胞核内，快速移动的软性蛋白质群聚集在基因控制开关周围，并结合成液滴来启动基因。

研究人员此前已经证明，蛋白质在细胞质(细胞的果冻状内脏)中形成这种液滴。包括Cisse在麻省理工学院的同事Richard Young和Phillip Sharp在内的一些人提出，当细胞机器打开基因时，这个过程也可能发生在细胞核中，这涉及到将DNA指令复制到RNA信息中。

如果得到证实，这一发现将挑战先前的观点，即基因活动是由稳定的蛋白质复合物的单个分子控制的，这些复合物在DNA上停留了很长一段时间。

Cisse和他的同事们用超分辨率显微镜观察了活老鼠胚胎干细胞中的单个蛋白质分子。他们特别感兴趣的是RNA聚合酶II，一种将DNA复制成RNA的酶，以及中介复合物的一部分，中介复合物是一组帮助启动复制过程的蛋白质，叫做转录。研究人员用荧光蛋白标记这些蛋白质，观察发生了什么。

RNA聚合酶II和中介蛋白每一个都形成一个大的簇，每个簇大约有200到400个分子。这些星系团具有相分离液滴的特性:通过显微镜观察，每个星系团形成不同的点。这些点可以融合在一起，就像油滴在水中融合一样。液滴可以用酒精分散。德国德累斯顿马普分子细胞生物学和遗传学研究所的生物学家安东尼·海曼说，这是Cisse发现相分离冷凝物的有力证据。他没有参与这项工作。

虽然这些聚类看起来很稳定，但研究人员发现单个聚合酶或中介蛋白不断进出聚类。研究小组发现，大约90%的聚合酶分子和60%的中介分子只在集群中停留了大约10秒钟。

加州大学伯克利分校霍华德•休斯医学研究所研究员、单细胞生物化学家罗伯特•特建说，这与之前的研究结果形成了鲜明对比，之前的研究表明RNA聚合酶II在一个基因上停留几分钟到几个小时。“最大的惊喜是这些事情发生得有多快，”Tjian说。他和同事们还发现，这些蛋白质的相互作用时间很短，大多数只有5到20秒。

Tjian和他的同事在6月21日的《科学》杂志上报告说，这些蛋白质群是由它们松散的部分吸引到一起的，这些部分被称为低复杂度或本质上无序区域。对于各种各样的细胞过程(SN: 2/9/13, p. 26)，本质上紊乱的蛋白质是必需的。

在Cisse的研究中，中介蛋白与一组被称为超级增强子的基因控制开关聚集在一起。通常，超级增强子位于远离它们所调控的基因的地方，有时可以同时控制几个基因。研究结果表明，含有中介蛋白的液滴和超级增强子可能与含有RNA聚合酶ii的液滴相互作用以促进转录。

海曼说，蛋白质突然结合成液滴可以帮助解释为什么基因会在一瞬间启动。增强子的气泡可能与RNA聚合酶II的多个气泡相互作用，同时打开多个基因，这是很难解释单一蛋白质分子是否起作用的。

虽然Tjian的结果与Cisse的结果相似，但他没有将他看到的相分离称为相分离。他说，没有必要将蛋白质浓缩到如此密集的程度，以至于它们会形成液滴以启动转录。相反，聚集在中心的蛋白质可以在一定浓度范围内刺激转录，他发现。

但是多伦多儿童医院的生物物理化学家朱莉·林恩-凯说，Tjian提出了一个语义上的论点。“在我的书中，他所说的枢纽是相分离的证据，”她说。所有的研究都表明了同样的事情，她说:软软的蛋白质群集中在特定的位置来启动基因。

但是相分离和转录之间的联系还没有被证实，纽约大学朗格尼卫生学院的生物化学家丹尼·赖因伯格说。他同意Tjian的发现，即蛋白质之间的弱相互作用可以增加做某事的强大推动力，在这种情况下，将DNA复制到RNA。但是他需要更多的证据来证明，正如Cisse和他的同事所描述的那样，转录是通过液滴的相分离而产生的。“我不是说它不会发生，”Reinberg说。“我是说它可能发生，也可能发生，但这两篇论文中没有证据证明这一点。”