癌症的形成與基因有著重大的關聯性，無論是基因突變，還是基因調控的異常，都有可能促使癌細胞的產生。在生物細胞內，有許多不同的分子和機制來進行基因的調控，但是基因調控機制的改變和癌症的關聯，仍是個需要近一步研究的課題。來自北卡羅來納大學教堂山分校的研究團隊發現，轉錄因子（ transcription factor ）若產生異常的相分離（ phase separation ），可能造成白血病（俗稱血癌）的產生 [1]。
相分離是在日常生活中常見的現象，舉例來說，油和水混合並不會互溶，而會形成油滴浮在水面上，就是一種相分離的展現。近年來的研究發現，某些特定的蛋白質、 RNA 和脂質等生物分子在細胞中也會產生相分離 [2]，形成如油水分離般的液滴。這些在細胞內可以形成相分離的蛋白質，其部分胺基酸序列有個共同特點：無法形成穩定的三維結構（也就是 intrinsically disordered region ，簡稱 IDR ）。先前研究在白血病患者的基因體定序結果中發現，許多患者的核孔蛋白98（ NUP98 ）會異常與轉錄因子 HOXA9 形成融合基因（fusion gene） [3]。由於核孔蛋白擁有 IDR 序列，這讓研究團隊好奇 IDR 、相分離和癌症的關聯。
於是，研究團隊純化了 核孔蛋白98-HOXA9 的融合蛋白（fusion protein），但僅保留 核孔蛋白98 的 IDR 序列（以 N-IDRWT/A9 表示），發現IDR序列足以讓融合蛋白相分離，在細胞內表現之後更能促使造血幹細胞的增生（圖一）。另一方面，假如將 IDR 序列中的苯丙胺酸（ phenylalanine ）替換成絲胺酸（ serine ）之後，純化的融合蛋白（ N-IDRFS/A9 ）就沒辦法相分離，也無法促使幹細胞增生。
圖一、 N-IDRWT/A9 相分離並使幹細胞增生。(a) N-IDRWT/A9 在細胞內相分離形成液滴， N-IDRFS/A9 則沒辦法相分離。1,6-己二醇( 1,6-Hex )也可以避免 N-IDRWT/A9 相分離。(b) N-IDRWT/A9 促使造血幹細胞增生。圖片來源：https://doi.org/10.1038/s41586-021-03662-5
由於 HOXA9 是個轉錄因子，所以研究團隊認為 N-IDRWT/A9 促使造血幹細胞增生的能力可能來自於基因調控的改變。研究團隊使用染色質免疫沉澱定序 ( Chromatin Immunoprecipition-sequencing，ChIP-seq ) 技術，分離與 N-IDRWT/A9 有交互作用的染色質（ chromatin ），並進行基因定序，發現比起無法相分離的 N-IDRFS/A9 ， N-IDRWT/A9 與更多基因有交互作用，其中包括了和白血病相關的基因，如 HOX 、 PBX3 和 MEIS1 （圖二）。利用同樣技術，研究團隊也發現，這些基因和活化基因轉錄的染色質 H3K27 乙醯化（ H3K27ac ）也有交互作用。除此之外，RNA定序的結果也顯示，這些基因在經由病毒轉導 (transduction) 了 N-IDRWT/A9 的造血幹細胞中也會表現較強，顯示 N-IDRWT/A9 能直接影響多重基因表現的特質，像是超級強化子（ super-enhancer-like ）。
圖二、 N-IDRWT/A9 影響多重基因表現。(a) 染色質免疫沉澱定序結果顯示 N-IDRWT/A9 與許多基因有交互作用。(b) 文氏圖分析顯示，有相分離特質的轉錄因子，都會與某些基因交互作用，包含了與白血病相關的基因。(c) RNA定序顯示，轉導了 N-IDRWT/A9 的造血幹細胞中有多個基因表現增強。圖片來源：https://doi.org/10.1038/s41586-021-03662-5
研究團隊並試圖探討 IDR 增強基因表現的機制，利用 Hi-C 技術來推測染色質的3D結構，發現受 N-IDRWT/A9 活化的基因儘管在不同染色體上，它們在細胞核裡折疊時仍然在空間中彼此靠近。這可能是因為 N-IDRWT/A9 形成相分離的液滴之後，導致染色質形成更多環狀結構（chromatin loop），改變了基因的調控迴路（圖三）。
圖三、 N-IDRWT/A9 促進基因表現機制示意圖。 N-IDRWT/A9 相分離後互相聚集，與染色質上多重基因緊密結合，形成轉錄熱區。圖片來源：https://doi.org/10.1038/s41594-021-00608-3
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有趣的是，研究團隊將另一個會相分離，但和白血病沒有直接相關的蛋白質 FUS 的 IDR 序列接上 HOXA9時 （以 F-IDRWT/A9 表示）， F-IDRWT/A9 融合蛋白不止會造成造血幹細胞增生，也和N-IDRWT/A9一樣強化癌症基因的表現，顯示轉錄因子異常相分離的特徵和癌症有緊密關聯。研究團隊認為，這個機制也可能和其他癌症的形成有關，值得進一步的研究。此外，若能設計藥物避免轉錄因子在細胞核內形成相分離則可能是潛在的癌症治療策略。
參考文獻：
[1] Ahn, J. H., Davis, E. S., Daugird, T. A., Zhao, S., Quiroga, I. Y., Uryu, H., Li, J., Storey, A. J., Tsai, Y.-H., Keeley, D. P., Mackintosh, S. G., Edmondson, R. D., Byrum, S. D., Cai, L., Tackett, A. J., Zheng, D., Legant, W. R., Phanstiel, D. H., & Wang, G. G. (2021). Phase separation drives aberrant chromatin looping and cancer development. Nature, 595(7868), 591–595. https://doi.org/10.1038/s41594-021-00608-3
[2] Banani, S. F., Lee, H. O., Hyman, A. A., & Rosen, M. K. (2017). Biomolecular condensates: Organizers of cellular biochemistry. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 18(5), 285–298. https://doi.org/10.1038/nrm.2017.7
[3] Gough, S. M., Slape, C. I., & Aplan, P. D. (2011). NUP98 gene fusions and hematopoietic malignancies: Common themes and new biologic insights. Blood, 118(24), 6247–6257. https://doi.org/10.1182/blood-2011-07-328880
關鍵字：Liquid-liquid phase separation, Intrinsically disordered region, Leukemia, Oncogenesis
撰文｜周文鴻
審稿｜蕭毅
