揭示MAPK信号、染色质和转录因子之间的相互作用（2020.6.27 Plant Biotechnology Journal ）

所有细胞生命的一项重要功能是感知周围环境并适应其变化的能力。细胞外环境的变化将诱导由信号转导级联协调的特殊细胞反应，接收来自质膜传感器的信号。通过诱导涉及数百个基因的复杂转录程序，这些信息被转化为一种生物反应。因此，信号的严格调控对于确保基因表达的正确的时间调节至关重要，否则就会改变细胞的生理机能。在真核细胞中，细胞外信号整合通常是由Mitogen-Activated Protein Kinases（MAPK）进行的，尽管MAPK信号活性很强，但下游基因表达在单个细胞之间表现出很大的差异性。对单细胞的分析显示，受相同信号活动调控的基因在其转录反应中表现出高度的可变性。

近日，Nature Communications杂志在线发表了瑞士洛桑大学基础微生物学系Victoria Wosika团队题为“Single-particle imaging of stress-promoters induction reveals the interplay between MAPK signaling，chromatin and transcription factors”的研究论文。为了更深入地了解渗透应力基因表达动力学的调控，他们使用有活性的mRNA报告器，监测高渗透压下的酿酒酵母的转录动态。

在真核细胞中，高度保守的MAPK介导各种环境刺激。它们控制广泛的细胞反应，如细胞增殖、分化或凋亡。在酵母中，高渗透压甘油（HOG）途径感知到培养基渗透压的突然增加，这导致MAPK Hog1的激活。在高渗透胁迫下，Hog1的激酶活性通过驱动内部甘油浓度的增加促进细胞对新环境的适应，从而允许平衡内部和外部渗透压力。与细胞质活性平行的是，Hog1也短暂地积聚到细胞核中，诱导数百个渗透胁迫响应基因的表达。MAPK被转录因子（TFs）招募到启动子区域，反过来，Hog1招募染色质重塑复合物、启动前复合物和RNA聚合酶II（PolII）來触发基因表达。一旦细胞适应，Hog1被灭活并离开细胞核，转录停止，染色质在HOG诱导的基因位点迅速重组。对这一途径的生化分析已经确定了参与基因表达的关键因素，以及MAPK在所有这些步骤中发挥的核心作用。与此同时，单细胞测量也揭示了它们表达中的巨大变异性。特别是，翻译报告和RNA-FISH测量已经确认，由MAPK在每个个体位点促进的缓慢染色质重塑在许多应激反应基因的激活中产生强烈的内在噪音。

在该研究中，科研人员通过PP7噬菌体外壳蛋白试验监测mRNA的生成。该报告能够以高时间分辨率和全自动的方式测量数百个活单细胞的转录波动。这种分析能够剖析不同的参与者对整体转录输出的贡献。他们发现MAPK Hog1的短暂活动打开了一个时间窗口，在那里应激反应基因可以被激活。Hog1最初几分钟的活性对控制启动子的激活是必不可少的。基因座上的染色质抑制减慢了这种转变并导致了基因表达的可变性，而与转录因子的结合提高了转录水平。然而，在Hog1活性达到峰值后不久，负调控因子促进染色质的封闭，转录逐渐停止。结果表明MAPK最初几分钟的活性将决定一个基因是否被转录，启动子的染色质状态将控制激活的时间，从而控制转录的可变性。