2025年5月27日，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心陈玲玲研究组在《Cell》在线发表了有关急性炎症调控的最新研究成果：“De novo assembly of nuclear stress bodies rearranges and enhances NFIL3 to restrain acute inflammatory responses”。该研究结合Nanopore全长转录组测序（包括polyA+和rRNA去除文库）及多组学分析，首次揭示灵长类特有的核应激小体（nSBs）通过重构基因组三维结构调控炎症反应的新机制，并为脓毒血症的精准诊疗提供了新思路。

英文标题：De novo assembly of nuclear stress bodies rearranges and enhances NFIL3 to restrain acute inflammatory responses

发表期刊：Cell（IF：45.5）

发表时间：2025.5.27

贝纳基因协助完成了ONT全长转录组和全长lncRNA测序工作

研究介绍

细胞稳态受精细调控，哺乳动物细胞在应激时会启动多种策略，包括形成由SatⅢ RNA组装而成的核应激体（nSBs），但其在维持细胞稳态和病理生理中的作用尚不明确。本研究阐明了灵长类特有的nSBs在细胞应激响应中的新机制：应激感知触发SatIII异染色质基因座的快速扩张和转录激活，组装成分层有序的nSB结构。nSB的形成导致局部基因组空间重组，使邻近基因（如转录抑制因子NFIL3）靠近nSB区域，增加其染色质可及性，并促进nSB招募的转录因子（HSF1, BRD4）结合其启动子，从而显著增强其转录。在巨噬细胞中，nSB组装驱动的NFIL3上调是抑制关键促炎细胞因子（TNF, IL-1β, IL-8）产生、限制过度急性炎症反应的关键环节，并且进一步在脓毒症患者中得到验证。该研究不仅揭示了异染色质-常染色质动态转变在基因调控和炎症抑制中的新功能，也为脓毒症的预后评估和潜在治疗策略提供了新的科学依据。

主要研究结果

应激触发广泛的SatIII转录伴随异染色质动态扩张

借助端粒到端粒（T2T）完整基因组组装结果，本研究系统解析了着丝粒周边SatIII DNA的特征：SatIII DNA占人类基因组的1.56%，已知分布于16条染色体上。通过纳米孔长读长RNA测序（Nanopore long-read RNA-seq），发现在热休克（HS）或亚砷酸钠（SA）处理后，HeLa细胞中的SatIII DNA（分布于15条含SatIII的染色体，尤其是位于9号染色体9q12区）被广泛激活转录，产生大量包含GGAAU重复单元的SatIII RNAs（图1A-D）。利用CRISPR-HyperdLbCas12a和dPspCas13b活细胞成像（图 1E-G）观察到SA处理后SatIIIDNA 基因座在120分钟内体积翻倍并稳定，而SatIIIRNA在100分钟后开始积累，300分钟达平台期。同时使用rRNA 去除后的纳米孔测序进一步证实，应激诱导的 SatIII 转录包括多聚腺苷酸化和非多聚腺苷酸化的RNA，表明应激可以触发异染色质快速扩张及转录激活，且实际转录量可能更高。

图1 应激状态下伴随扩张的SatIII DNA位点的广泛转录

nSBs分层组装形成有序结构

通过单分子RNA FISH (smFISH)、免疫荧光 (IF)、DeltaVision、STED超分辨显微镜观察发现，在SA或HS应激后形成的nSBs具有三层结构：SatIII RNAs位于中心，热休克因子HSF1环绕SatIII形成中层，支架附着因子SAFB在HSF1 周围形成外壳状结构（图2A-F）。通过将30种候选nSB蛋白与Emerald荧光蛋白融合并在HSF1-mScarlet稳定细胞系中表达成像定位分析（图2G-H），发现转录因子（如BRD4）与HSF1一样在应激早期（20分钟内）即被招募到nSBs中层，而RNA结合蛋白（如SAFB, THRAP3）则在SatIII RNA转录爆发时（约100分钟后）才被检测到，且倾向位于内层（图2I-J）。敲低BRD4、HSF2和THRAP3可显著破坏nSB形态。BRD4抑制剂JQ1处理或BRD4敲低可抑制SatIII转录并破坏nSB结构，推测BRD4通过促进SatIII转录维持nSB。由此说明nSBs组装具有时序性，依赖SatIII转录爆发。

图2 nSB组分排列成分层且形态良好的nSB结构

nSB形成重塑局部基因组并增强邻近基因表达

通过酪胺信号放大测序技术（TSA-Seq）定位新形成的nSBs邻近的基因（图3A），将TSA-seq得分前10%的染色体区域定义为nSB相关结构域（SEEDs）。RNA-seq与TSA-seq联合分析显示，在SA处理的HeLa细胞中鉴定出46个位于SEEDs内且表达上调的基因（SEED_UP基因），同时在HS处理的HeLa细胞中鉴定出30个 SEED_UP基因（图3D），其中NFIL3是其中最显著的基因之一。敲低SatIII RNA破坏nSB结构（HSF1和SAFB聚集减少，图3F-H），并显著减弱SEED_UP基因的上调幅度（图3E），表明nSB的完整组装（而不仅仅是SatIII位点开放）对邻近基因的增强转录至关重要。

图3 nSB形成影响基因组结构和基因表达

SatIII基因座扩张使NFIL3基因空间重排并靠近nSBs

通过DNA FISH （图4A-D）和CRISPR活细胞成像（CRISPR-dCas9标记SatIII, CRISPRdelight标记NFIL3，图4E-G），均观察到在SA或HS应激后，NFIL3基因位点与SatIII基因位点之间的空间距离显著缩短。ATAC-seq 分析表明应激处理增加 NFIL3 的染色质可及性（图4H-J），与其转录上调结果一致。整体启动子可及性下降与全局转录抑制相符（图4H-I）。

图4 应激状态下NFIL3位点重排至SatIII位点附近

通过 CRISPR-GO 技术将9号染色体上的 SatIII 基因座重定位到核周边（图5A）。ABA诱导后，SatIII DNA成功定位于内核膜（图5B-C），SA处理下核周内缘形成分层nSB结构：SatIII DNA被HSF1环绕（图5D），而转录的SatIII RNAs虽靠近内核膜但脱离DNA位点（图5D）。重要的是：相较于未锚定时SA处理显著缩短NFIL3-SatIII距离并大幅上调NFIL3表达（②组），ABA锚定+SA处理仅轻微缩短距离（无统计差异）且NFIL3表达仅适度增加（④组）（图5E-H），表明SatIII扩张时NFIL3与活性nSB区域的距离缩短是NFIL3转录增强的必要条件。

图5 CRISPR-GO介导的SatIII重定位导致NFIL3表达降低

空间邻近促进HSF1/BRD4结合NFIL3启动子以增强其转录

染色质免疫沉淀（ChIP-qPCR）证实，SA应激后，HSF1和BRD4特异性富集在NFIL3启动子区域（图6B-C），而非其侧翼基因（SEMA4D, AUH, ROR2, SPTLC1）的启动子（图6D）。SatIII RNA敲低显著减弱了HSF1和BRD4与NFIL3启动子的结合（图6E）。双荧光素酶报告实验显示，敲低HSF1或BRD4会降低NFIL3启动子活性（图6F）。敲低HSF1或BRD4也显著降低NFIL3 mRNA水平，尤其在应激条件下（图6G）。

图6 SatIII位点的扩增促进HSF1和BRD4在NFIL3启动子上的空间可及性沉积

活细胞共定位分析显示，约74%的NFIL3基因位点在SA应激后与nSBs内的HSF1位点共定位（图6H-I）。用JQ1抑制BRD4会减弱HSF1在nSBs的积累，增加NFIL3-HSF1空间距离（图6I-K），并降低NFIL3的表达（图6L）。总之，异染色质SatIII位点的扩张促进了SEED_UP基因（如NFIL3和GPBP1）对nSBs中新招募的TFs（HSF1, BRD4）的空间可及性，导致应激期间表达增强（图 6M）。

nSB驱动的NFIL3上调抑制急性炎症反应并与脓毒症生存相关

在人外周血单核细胞（PBMC）来源的巨噬细胞中，SA或HS应激同样能诱导nSB形成（图7A），并上调SatIII和NFIL3表达，尤其在促炎性M1巨噬细胞中表达最高（图7C-E）。NFIL3作为碱性亮氨酸拉链转录因子，可抑制巨噬细胞中关键促炎细胞因子（TNF, IL-1β, IL-8）的产生（图7F）。敲低NFIL3导致THP-1细胞在应激下促炎细胞因子表达显著升高（图7G-I）。在模拟脓毒症样条件的实验模型中（HS + PAMPs如LTA-SA或LPS），敲低NFIL3和敲低SatIII RNA破坏nSBs，均导致促炎细胞因子（TNF, IL-1β, IL-8）在mRNA和蛋白水平显著升高（图7G-M）。

图7 nSB驱动的NFIL3上调是抑制炎症反应所必需的

对150名脓毒症患者和20名对照者的PBMCs分析显示：脓毒症患者的SatIII RNA水平显著高于对照样本（图7N）；脓毒症患者组内SatIII表达与NFIL3表达呈正相关（图7O）；而NFIL3水平与促炎细胞因子（TNF, IL-1β, IL-8）表达呈显著负相关（图7P）。重要的是，在检查的脓毒症患者肠道组织巨噬细胞中，SatIII RNA可呈现为类似nSB的结构。

根据Youden指数确定SatIII表达临界值（cutoff=3.19），将脓毒症患者分为高SatIII组（>3.19, n=60）和低SatIII组（≤3.19, n=90），Kaplan-Meier生存曲线显示，高SatIII组患者28天生存率显著高于低SatIII组（图7R）。ROC曲线分析表明，SatIII RNA对28天死亡风险的预测价值（AUC=0.712）与临床常用的序贯器官衰竭评估（SOFA）评分（AUC=0.736）相当，且两者结合可显著提高预测效能（AUC=0.820）（图7Q）。

总结

该研究借助纳米孔长读长RNA测序及多组学技术，详细阐明了nSBs的从头组装机制：细胞在感知应激时，SatIII组成型异染色质基因座快速扩张并转录，SatIII RNAs协同多种蛋白有序组装成nSBs。nSBs的形成导致局部基因组三维空间重排，使邻近基因（如转录抑制因子NFIL3）靠近nSB区域，增加了其染色质可及性，并促进nSBs招募的转录因子HSF1和BRD4结合至NFIL3启动子，从而显著上调NFIL3蛋白表达，NFIL3水平的升高进一步抑制促炎细胞因子产生。该研究不仅阐明了核应激小体在基因表达调控中的关键功能，也为脓毒血症的精准诊疗提供了新思路。

参考文献：

Xiao-Qi Liu, Pan Li, Bao-Qing Gao, et al. De novo assembly of nuclear stress bodies rearranges and enhances NFIL3 to restrain acute inflammatory responses. Cell, 2025.