細胞區室化是細胞內復雜生化過程有序進行的基礎，也是生命演化在細胞水平的重大里程碑事件。磷脂雙分子層包裹的有膜細胞器是傳統認知的細胞區室。與之相對，生物大分子通過分子間多價相互作用發生相分離，在細胞內形成高度濃縮的凝聚體，可以精細驅動DNA組裝、RNA轉錄等一系列重要的生命過程。如何識別具有重要生物學意義的凝聚體并闡明相分離與其生物功能之間的調控機理，已成為當前生命科學領域最前沿的科學問題之一。
衰老是人類慢性疾病的重要危險因素，細胞衰老是機體衰老及衰老相關疾病發生發展的主要驅動因素之一。在衰老過程中，細胞經歷了劇烈的轉錄重塑，數千個基因的表達發生改變，涉及細胞周期阻滯、炎癥因子分泌等多個分子生物學過程。然而，衰老相關的關鍵轉錄事件是否受到相分離的調控還未見報道。
2023年11月7日，中國科學院動物研究所劉光慧研究組、曲靜研究組和中國科學院北京基因組研究所張維綺課題組合作在Cell Discovery 在線發表了題為SGF29 nuclear condensates reinforce cellular aging 的研究論文。該研究首次闡明了液-液相分離調控細胞衰老的分子事件，發現轉錄調節蛋白SGF29通過相分離招募轉錄機器形成蛋白凝聚體，介導細胞周期阻滯蛋白p21Cip1（由CDKN1A 基因編碼）表達，從而誘導細胞衰老。
這項研究首先基于體外構建的兒童早衰綜合征、成年早衰綜合征及復制性衰老的人間充質前體細胞模型和人成纖維細胞衰老模型，通過高分辨率熒光成像技術對組蛋白乙酰轉移酶SAGA（Spt-Ada-Gcn5 acetyltransferase）復合物組分進行篩查，發現SGF29在衰老細胞的核內形成明顯的蛋白凝聚體（圖1），且凝聚體數量與細胞衰老的程度呈正相關。進一步，研究人員發現在年輕細胞中異位過表達SGF29可誘導SGF29蛋白凝聚體的形成并觸發細胞衰老。相反，在年老細胞中敲低SGF29則可延緩細胞衰老，提示SGF29蛋白凝聚體與細胞衰老密切相關。
隨后研究人員使用熒光漂白恢復和活細胞成像技術，發現SGF29凝聚體內部具有流動性，能從光漂白中恢復和融合。此外，體外純化的重組SGF29蛋白可以形成液滴（圖2），液滴大小與鹽濃度呈負相關。這些結果均支持SGF29蛋白具有液-液相分離的性質。
為了鑒定介導SGF29相分離的關鍵結構域和氨基酸，研究人員構建了一系列SGF29截短突變體，發現SGF29的C端結構域是其發生相分離的關鍵部位。結合自然無序區分析，預測并實驗證明位于C端結構域的第207位精氨酸是介導SGF29蛋白相分離的關鍵位點，并成功構建了可以破壞SGF29相分離的突變體（SGF29-R207P）。與此同時，研究人員發現，與野生型SGF29不同，SGF29相分離突變體（SGF29-R207P）過表達不會引起細胞衰老，這表明SGF29蛋白相分離是細胞衰老的驅動因素。
為探究SGF29相分離如何驅動細胞衰老，研究人員使用染色質免疫共沉淀測序技術繪制了SGF29野生型、相分離突變體（SGF29-R207P）的全基因組序列結合圖譜。結果顯示，相分離突變體在基因啟動子區域的結合效率顯著降低，提示相分離介導了SGF29與其靶基因元件的結合。研究人員進一步通過DNA-FISH技術發現SGF29的凝聚體可以被招募到CDKN1A 的啟動子區域。此外，研究人員還發現MED4、RNA聚合酶II等轉錄核心機器可以被招募到SGF29的凝聚體中，從而激活CDKN1A 基因的表達并誘導細胞衰老。而敲低CDKN1A 可以阻滯由SGF29凝集體所致的細胞衰老。這些實驗結果表明SGF29相分離誘導的CDKN1A 轉錄激活是介導人類細胞衰老的關鍵驅動力。
綜上，該研究揭示了相分離調控細胞衰老的全新機制，系統闡釋了衰老細胞核中SGF29相分離液滴可以通過招募并富集一系列轉錄相關蛋白，進而驅動經典衰老促進基因CDKN1A 的表達（圖3）。這些研究進展為進一步研發衰老及其相關疾病的防控策略提供了重要線索和全新思路。由于蛋白質相分離在衰老生物學研究領域還屬于新生事物，未來將會涌現出更多的科學問題，例如衰老的不同組織、不同階段是否存在著紛繁復雜的蛋白相分離事件？細胞衰老是否受到胞漿中相分離事件的調控？非有絲分裂細胞衰老過程中的相分離事件是怎樣的？如何以相分離作為靶標干預細胞衰老及相關疾病？期待未來這些謎題將得以逐一解決。
中國科學院動物研究所助理研究員嚴考文和博士研究生季乾昭、中國科學院上海藥物研究所趙東昕研究員為文章的并列第一作者。中國科學院動物研究所劉光慧研究員、曲靜研究員及中國科學院北京基因組研究所張維綺研究員為文章的共同通訊作者。研究獲得科技部、國家自然科學基金委、中國科學院和北京市等項目資助。
文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41421-023-00602-7
圖1. SGF29在衰老的人間充質前體細胞核內形成蛋白凝聚體
圖2. 重組SGF29蛋白可在體外形成液滴
圖3. SGF29相分離調控細胞衰老的分子機制
