《iScience》：Fission yeast Whi5 represses MBF-dependent transcription in quiescent cells
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为阐明细胞在G1期进入静息状态时如何关闭G1/S转换关键转录程序，研究人员聚焦裂殖酵母Whi5蛋白在氮饥饿条件下的功能。研究发现Whi5在静息期入核并与MBF复合物相互作用，通过招募Clr6-I组蛋白去乙酰化酶复合物抑制早期减数分裂基因表达，揭示了一种保守的转录抑制机制，为理解细胞周期退出调控提供新视角。
当细胞在G1期停滞以进入静息状态时，驱动G1/S转换的转录机器必须被关闭。在芽殖酵母和哺乳动物中，这一抑制过程由Whi5和视网膜母细胞瘤（Retinoblastoma, Rb）蛋白分别介导，它们能抑制SBF和E2F转录因子的活性。而在裂殖酵母中，MBF复合物在功能上类似于SBF和E2F，Whi5/Mug54被预测为G1/S转录抑制因子。2026年2月发表于《iScience》的一项研究，深入探讨了裂殖酵母Whi5在静息细胞中对MBF依赖性转录的抑制作用及其分子机制。
细胞可逆地退出细胞周期进入静息状态（G0期）是生命体应对营养匮乏等压力的重要策略。然而，如果增殖相关基因未能被正确关闭，可能导致细胞异常重新进入细胞周期，在酵母中影响存活，在人类细胞中则可能诱发癌症等病理状态。组蛋白去乙酰化酶（Histone Deacetylases, HDACs）在芽殖酵母静息态的建立和维持中扮演重要角色，但在裂殖酵母中，静息期异染色质的形成已知依赖于RNA干扰和组蛋白甲基化。G1/S转换时期的基因表达由转录因子复合物调控，在裂殖酵母中，该过程主要由MBF复合物控制。在营养丰富条件下，MBF的活性受共抑制因子Nrm1和Yox1的调控，它们与MBF结合，将其转录活性限制在G1期。然而，在氮饥饿条件下，细胞进入静息状态，MBF依赖性基因（包括那些参与DNA复制和早期减数分裂的基因）需要被有效抑制，但其具体机制尚不完全清楚。
研究人员通过一系列关键技术方法揭示了Whi5的功能。他们利用流式细胞术分析了细胞周期进程，通过蛋白质质谱和双分子荧光互补技术验证了蛋白质间的相互作用，采用RNA测序和染色质免疫沉淀分析了转录组和组蛋白修饰变化，并借助条件性降解系统研究了基因功能。
Whi5水平调控细胞进入和退出静息状态
序列同源性分析表明，裂殖酵母Whi5是芽殖酵母Whi5的同源蛋白，含有一个推测与G1/S转录因子结合的GTB基序。研究发现，在氮饥饿条件下，Whi5蛋白在细胞核内积累。缺失whi5+基因的细胞在进入静息状态时无明显表型，但过表达whi5+则导致细胞更早地停滞在G1期。相反，在从静息状态退出时，whi5△细胞完成S期早于野生型，而whi5+过表达细胞则出现G1期退出延迟。在氮源贫乏的培养基中，whi5△突变体G1期细胞比例略有减少，而whi5+过表达细胞则表现出更高的G1期细胞比例，且细胞尺寸增大，Rad52-YFP焦点（指示DNA损伤）增多，提示复制应激增加。遗传互作分析显示，whi5△能抑制res1△和rep2△突变体在氮贫乏培养基中的生长缺陷和细胞伸长表型，而过表达whi5+则会加剧res1△、rep2△和cdc10-129温度敏感突变体的缺陷。这些结果支持Whi5在氮贫乏条件下作为MBF转录抑制因子的作用。
Whi5在静息细胞中下调MBF依赖性基因的表达
RNA测序分析发现，在氮饥饿24小时后，与野生型相比，whi5△细胞中有296个基因差异表达，其中188个基因上调。基因本体富集分析显示，上调的基因显著富集在“减数分裂细胞周期”等相关类别中，包括许多MBF依赖性基因以及参与早期减数分裂的基因，如编码DNA断裂形成和线性元素形成的hop1+、rec12+等。值得注意的是，在whi5△细胞中，参与前期减数分裂S期和重组的早期减数分裂基因表达上调。然而，在退出静息状态时，尽管whi5△突变体中这些减数分裂基因在MM-N中表达升高，但在释放后一小时内其转录本迅速消失，表明Whi5并非退出静息时抑制减数分裂基因表达所必需。对S期基因cdc18+和cdt2+的表达分析发现，whi5△细胞中cdt2+在静息期和G1期表达持续较高，而cdc18+的表达峰值提前，这可能是导致whi5△细胞退出静息时DNA复制加速的原因之一。
Whi5在氮饥饿下定位于细胞核并与MBF复合物发生物理相互作用
细胞定位研究表明，在营养丰富的培养基中，Whi5分布于整个细胞；而当细胞转入无氮培养基后，Whi5迅速在细胞核内积累，但在整个氮饥饿期间仍有一部分存在于细胞质中。退出静息状态后，Whi5的核内积累迅速减少。在氮贫乏培养基中，也观察到Whi5的核内浓度增加。蛋白质水平和mRNA水平分析均显示，Whi5在氮饥饿条件下表达上调。对MBF复合物各组分的分析发现，在氮饥饿过程中，Cdc10和Res2的蛋白水平维持稳定，而Res1水平下降，Rep2和Nrm1则很快消失。通过双标菌株（Whi5-L-mCherry Nrm1-mNeonGreen）的时间进程实验观察到，在转入无氮培养基后，Nrm1-mNeonGreen荧光信号随时间减弱，而Whi5-L-mCherry核信号增强，提示在氮饥饿条件下，Whi5可能逐步取代Nrm1成为G1期细胞中MBF的主要抑制因子。利用nrm1-3xsAID降解决定子诱导Nrm1降解的实验表明，同时缺失Nrm1和Whi5会显著延迟G1期阻滞，说明这两种抑制因子共同确保细胞正确进入静息状态。RNA测序结果进一步证实，nrm1-3xsAID whi5△双突变体在氮饥饿条件下MBF依赖性基因的上调程度高于单突变体，具有协同效应。
质谱分析Whi5的相互作用蛋白发现，在氮饥饿16小时后，Whi5与MBF复合物的组分Cdc10和Res2存在特异性相互作用，而与Res1的相互作用不显著。通过双分子荧光互补技术证实了在氮饥饿条件下Whi5与Cdc10之间存在相互作用，且该相互作用发生在Whi5入核后不久。这些结果表明Whi5在静息细胞中特异性抑制由Cdc10和Res2组成的MBF复合物。
Whi5通过招募组蛋白去乙酰化酶复合物Clr6-I实现转录抑制
质谱分析还发现，在氮饥饿条件下，Whi5和Cdc10均与Clr6-I复合物的组分存在相互作用。Clr6是组蛋白去乙酰化酶，形成Clr6-I和Clr6-II两种主要复合物。Clr6-I主要作用于启动子区组蛋白的去乙酰化。双分子荧光互补实验证实了Whi5与Clr6之间存在相互作用，且该相互作用主要发生在氮饥饿条件下。进一步分析表明，Whi5特异性与Clr6-I复合物的特有组分Pst3相互作用，而不与Clr6-II的特有组分Pst2相互作用。当在whi5△背景中免疫共沉淀Cdc10-L-YFP时，发现Cdc10与Clr6-I复合物的相互作用消失，表明Whi5对于MBF复合物招募HDAC活性至关重要。染色质免疫沉淀分析显示，在whi5△突变体中，组蛋白H3第9和14位赖氨酸（H3K9K14）在cnp1+和hop1+等基因启动子区的乙酰化水平高于野生型，甚至在cdc18+和cdc22+等表达未显著上调的基因启动子区也观察到乙酰化水平升高，提示除了Whi5/Clr6依赖的去乙酰化，还有其他机制参与这些基因的沉默。
本研究揭示了裂殖酵母Whi5在细胞应对氮饥饿、进入静息状态过程中的关键作用。它作为转录抑制因子，在G1期细胞核内积累，与MBF复合物（特别是Cdc10-Res2亚型）相互作用，并通过招募Clr6-I组蛋白去乙酰化酶复合物，促使MBF靶基因启动子区组蛋白去乙酰化，从而有效抑制包括早期减数分裂基因在内的一组MBF依赖性基因的转录。这种调控机制确保了细胞在静息状态下增殖相关基因的正确关闭，对于维持基因组稳定性和细胞存活至关重要。该研究不仅深化了对裂殖酵母细胞周期调控网络的理解，也为研究其他生物中类似Rb蛋白的功能及其在细胞命运决定和相关疾病中的作用提供了重要线索。研究提出的模型为：在进入静息状态时，Whi5和Nrm1协同抑制MBF，其中Whi5通过招募Clr6-I发挥主要作用；而当退出静息状态时，MBF共激活因子Rep2水平上升，招募组蛋白乙酰转移酶复合物（如SAGA），激活MBF依赖性基因表达，促进G1/S转换。
