研究为机械力在基因表达中的作用提供了新的见解
我们每个细胞内的基因组都是由张力和扭转建模的——部分原因是压缩、环状、缠绕和解开DNA的蛋白质的活动——但科学家对于这些力如何影响基因转录知之甚少。
克莱姆森大学WaenardL.Miller,Jr.(1969届)和SheilaM.Miller医学生物物理学讲座教授LauraFinzi说道:“有很多机械力在起作用,我们从未考虑过,对它们知之甚少,教科书上也没有提到它们。”
转录是细胞将一段DNA复制成RNA的过程。有一种RNA被称为信使RNA(mRNA),它编码信息以制造细胞或组织结构和功能所需的蛋白质。
RNA聚合酶(RNAP)是一种产生mRNA的蛋白质。它沿着双螺旋DNA进行追踪,将其解开以读取仅一条链的碱基对序列并合成匹配的mRNA。基因的这种“转录”始于RNAP与“启动子”DNA序列结合,结束于“终止子”序列,在此释放mRNA拷贝。对终止的典型观点认为,在释放mRNA后,RNAP会与DNA分离。
研究人员使用磁性镊子将RNAP聚合酶拉向DNA模板,结果显示,到达终止子后,细菌RNA聚合酶可能留在DNA模板上,并被拉向后滑动至相同的启动子或向前滑动至相邻的启动子,以开始后续的转录循环。因此,力的方向决定了一段DNA是否可以转录多次或仅转录一次。Finzi和Dunlap报告称,这种力导向的循环机制可以改变相邻基因的相对丰度。
此外,他们发现,滑动RNAP的能力需要α亚基的C端结构域能够识别与滑动方向相反的启动子。她说,这些亚基“使其能够保持在轨道上,翻转并抓住DNA双螺旋的另一条链,而另一个启动子可能在那里”。事实上,删除α亚基后,翻转到相反方向的启动子并没有发生。
彻底了解调节基因组转录活动的分子机制可能会找到治疗替代方案,其中可以修改RNAP以抑制某些蛋白质并预防疾病。
芬齐表示,基因组中可能存在一些位置,其中的循环利用可能比其他位置更频繁,但这仍然未知。
Finzi表示:“我希望有一天,我们能绘制出一张时空图,展示生物体内各种细胞生命周期中不同时期作用于基因组的各种力。我们的研究重点关注了各种力对重复转录概率的影响,这可能有助于以热图的方式预测和绘制不同基因的不同转录水平。”