Muitas proteínas e ácidos nucleicos sofrem separação de fase líquido-líquido (LLPS) e se auto-montam em condensados biomoleculares para organizar a bioquímica nas células1,2. LLPS de proteínas de ligação de cromatina leva à formação de condensados que estão associados a loci genômicos específicos e estão implicados em várias funções locais de cromatina3. Por exemplo, LLPS de proteína HP1 está por trás da formação de domínios heterocromatinas para organizar o genoma4,5, LLPS de fatores de transcrição forma centros de transcrição para regular transcrição6, LLPS de mRNAs nascentes e proteína de combs multi-sexo gera corpos histonas locus para regular a transcrição e processamento de histone mRNAs7. No entanto, apesar de muitos exemplos de condensados associados à cromatina serem descobertos, os mecanismos subjacentes de formação, regulação e função de condensado permanecem mal compreendidos. Em particular, nem todos os condensados associados à cromatina são formados através de LLPS e avaliações cuidadosas da formação de condensados em células vivas ainda são necessárias8,9. Por exemplo, a proteína HP1 no camundongo é mostrada ter apenas uma capacidade fraca de formar gotículas líquidas em células vivas e os focos de heterocromatina se comportam como glóbulos polímeros colados10. Portanto, são desejáveis ferramentas para induzir novos condensados na cromatina em células vivas, particularmente aquelas que permitem o uso de imagens vivas e ensaios bioquímicos para monitorar a cinética da formação de condensados, as propriedades físicas e químicas dos condensados resultantes e as consequências celulares da formação de condensados.
Este protocolo relata um sistema de dimerização química para induzir condensados proteicos na cromatina11 (Figura 1A). O dimerizer consiste em dois ligantes interligadores de proteínas ligados: trimetoprim (TMP) e ligante halo e pode escurecer proteínas fundidas aos receptores cognatos: Escherichia coli dihidrofolate reductase (eDHFR) e uma enzima de alkyldehalogenase bacteriana (enzima halo),respectivamente 12. A interação entre ligante halo e enzima halo é covalente, permitindo que a enzima Halo seja usada como uma âncora, fundindo-a a uma proteína de ligação de cromatina para recrutar uma proteína de separação de fase fundida ao eDHFR à cromatina. Após o recrutamento inicial, o aumento da concentração local da fase de separação da proteína passa pela concentração crítica necessária para a separação de fases e, assim, nuclea um condensado na âncora(Figura 1B). Ao fundir proteínas fluorescentes (por exemplo, mCherry e eGFP) para eDHFR e Halo, a nucleação e o crescimento de condensados podem ser visualizados em tempo real com microscopia de fluorescência. Como a interação entre eDHFR e TMP não é covalente, o TMP livre em excesso pode ser adicionado para competir com o dimerizer para a vinculação eDHFR. Isso liberará então a proteína de separação de fase da âncora e dissolverá o condensado associado à cromatina.
Utilizamos esta ferramenta para induzir a formação nuclear de leucemia promyelocítica (PML) em telômeros em células cancerígenas telomerase-negativas que utilizam um alongamento alternativo de telômeros (ALT) caminho para manutenção de telômeros13,14. Os corpos nucleares pml são compartimentos sem membrana envolvidos em muitos processos nucleares15,16 e são exclusivamente localizados aos telômeros ALT para formar APBs, para os corpos PML associados ao telômero ALT17,18. Os telômeros agrupam-se dentro dos APBs, presumivelmente para fornecer modelos de reparo para síntese de DNA de telômero direcionada à ímologia em ALT19. De fato, a síntese de DNA de telômero foi detectada em APBs e APBs desempenham papéis essenciais no enriquecimento de fatores de reparação de DNA nos telômeros20,21. No entanto, os mecanismos subjacentes à montagem de APB e ao agrupamento de telômeros dentro das APBs eram desconhecidos. Uma vez que as proteínas de telômero em células ALT são modificadas exclusivamente por pequenos modificadores semelhantes à ubiquitina (SUMOs)22,muitos componentes APB contêm sítios de sumô 22,23,24,25 e/ou25 Os motivos que interagem pelo SUMSUMO (SIMs)26,27 e as interações SUMO-SIM impulsionam a separação de fase28,hipótesemos que o sumô em telômeros leva ao enriquecimento do SUMO/SIM contendo proteínas e As interações SUM-SIM entre essas proteínas levam à separação de fases. A proteína PML, que tem três locais de sumô e um site sim, pode ser recrutada para telômeros sumôs para formar APBs e coalescência de APBs líquidos leva ao agrupamento de telômeros. Para testar essa hipótese, utilizamos o sistema de dimerização química para imitar a formação de APB induzida por sumô, recrutando SIM para telômeros(Figura 2A)11. O GFP é fundido à Haloenzyme para visualização e à proteína de ligação de telômeros TRF1 para ancorar o dimerizer aos telômeros. O SIM é fundido para eDHFR e mCherry. Cinéticas da formação de condensado e agrupamento de telômeros induzidos por fusão de gotículas são seguidos com imagens de células vivas. A separação de fase é revertida adicionando TMP livre de excesso para competir com a vinculação eDHFR. A imunofluorescência (IF) e a fluorescência na hibridização situ (FISH) são utilizadas para determinar a composição do condensado e a associação telômérica. O recrutamento do SIM enriquece o SUM nos telômeros e os condensados induzidos contêm PML e, portanto, são APBs. Recrutar um mutante SIM que não pode interagir com o SUMH não enriquece o SUMô em telômeros ou induz a separação de fases, indicando que a força motriz fundamental para a condensação de APB é a interação SUMO-SIM. Concordando com essa observação, polímeros poliSUMO-polySIM que fundiram-se a um fator de ligação TRF2 RAP1 também podem induzir a formação de APB29. Em comparação com o sistema de fusão polySUMO-polySIM, onde a separação de fase ocorre enquanto proteínas suficientes forem produzidas, a abordagem de dimerização química aqui apresentada induz a separação de fases sob demanda e, portanto, oferece melhor resolução temporal para monitorar a cinética da separação de fases e do processo de agrupamento de telômeros. Além disso, este sistema de dimerização química permite o recrutamento de outras proteínas para avaliar sua capacidade em induzir a separação de fases e agrupamento de telômeros. Por exemplo, uma proteína desordenada recrutada para telômeros também pode formar gotículas e telômeros sem induzir a formação de APB, sugerindo que o agrupamento de telômeros é independente da química apb e depende apenas da propriedade líquida APB11.