研究人员捕捉到前所未见的基因转录视图

RNA 聚合酶遇到 DNA 时形成的中间复合物的首次图像之一。图片来源：洛克菲勒大学分子生物物理学实验室

每个活细胞都会将 DNA 转录为 RNA。当一种名为 RNA 聚合酶（RNAP）的酶连接到 DNA 时，这一过程就开始了。在几百毫秒内，DNA 双螺旋展开，形成一个转录泡，使一条暴露的 DNA 链被复制成一条互补的 RNA 链。

RNAP 是如何完成这一创举的，目前还不得而知。如果能捕捉到 RNAP 打开转录泡过程的快照，就能提供大量信息，但这一过程发生得太快，目前的技术无法轻松捕捉到这些结构的可视化图像。现在，《自然-结构与分子生物学》（Nature Structural & Molecular Biology）杂志上的一项新研究描述了大肠杆菌 RNAP 打开转录泡的过程。

这些发现是在RNAP与DNA混合后500毫秒内捕捉到的，揭示了转录的基本机制，回答了关于启动机制及其各个步骤的重要性的长期问题。"这是第一次有人能够实时捕捉瞬时转录复合物的形成过程，"第一作者、洛克菲勒大学塞斯-达斯特实验室研究专家露丝-赛克（Ruth Saecker）说。"了解这一过程至关重要，因为它是基因表达的主要调控步骤。"

达斯特是第一个描述细菌 RNAP 结构的学者，研究其细微之处一直是他实验室的工作重点。几十年的研究工作已经证实，RNAP 与 DNA 的特定序列结合会触发一系列步骤，从而打开气泡，但 RNAP 如何分离链并将一条链置于其活性位点上，仍然存在激烈的争论。

该领域的早期研究表明，转录泡打开是这一过程中的关键减速因素，决定了 RNAP 进入 RNA 合成的速度。该领域后来的研究结果对这一观点提出了质疑，并出现了关于这一限速步骤性质的多种理论。"我们从其他生物学技术中了解到，当 RNAP 第一次遇到 DNA 时，它会产生一堆受到高度调控的中间复合物，"该实验室博士后研究员、合著者安德烈亚斯-穆勒（Andreas Mueller）说。"但这部分过程可能在不到一秒钟的时间内发生，我们无法在如此短的时间尺度上捕捉到结构"。

为了更好地了解这些中间复合物，研究小组与纽约结构生物学中心的同事合作，后者开发了一种基于喷墨的机器人系统，可以快速制备生物样本，用于冷冻电镜分析。通过这种合作，研究小组捕捉到了 RNAP 与 DNA 相遇的最初 100 到 500 毫秒内形成的复合物，获得了四种不同中间复合物的图像，其细节足以进行分析。

RNA 聚合酶与 DNA 结合的初始阶段所形成的结构变化和中间产物首次清晰地展现在人们面前。"这项技术对这项实验极为重要，"Saecker 说。"没有快速混合 DNA 和 RNAP 并实时捕捉图像的能力，就不可能有这些结果"。

通过对这些图像的研究，研究小组成功地勾勒出了一系列事件的轮廓，显示了 RNAP 在 DNA 链分离时是如何与之相互作用的，其详细程度是以前从未见过的。随着 DNA 的解开，RNAP 逐渐抓住其中一条 DNA 链，防止双螺旋重新组合在一起。每一次新的相互作用都会导致 RNAP 改变形状，从而形成更多的蛋白质-DNA 连接。这包括将阻止 DNA 进入 RNAP 活性位点的蛋白质的一部分挤出。这样，一个稳定的转录泡就形成了。

研究小组提出，转录的限速步骤可能是将 DNA 模板链置于 RNAP 酶的活性位点内。这一步需要克服巨大的能量障碍，并重新排列多个组件。未来的研究将致力于证实这一新假设，并探索转录的其他步骤。

穆勒说："在这项研究中，我们只研究了最早期的步骤。下一步，我们希望研究转录周期中的其他复合物、较晚的时间点和其他步骤。"

除了解决有关 DNA 链如何被捕获的相互矛盾的理论之外，这些结果还凸显了这种新方法的价值，它可以实时捕获毫秒内发生的分子事件。这项技术将使更多此类研究成为可能，帮助科学家将生物系统中的动态相互作用可视化。

达斯特说："如果我们想了解生命中最基本的过程之一，即所有细胞都在做的事情，我们就需要了解它的进展和速度是如何调节的。一旦我们知道了这一点，我们就能更清楚地了解转录是如何开始的。"

编译自/ScitechDaily