研究為機械力在基因表現中的作用提供了新的見解

我們每個細胞內的基因組都是透過張力和扭轉來建模的——部分原因是壓縮、循環、包裹和解開DNA 的蛋白質的活動——但科學家對這些力如何影響基因轉錄知之甚少。

「一直有很多機械力在發揮作用，但我們從未考慮過，我們對此知之甚少，而且教科書上也沒有提及它們，」Waenard L. Miller, Jr. 博士勞拉·芬茲(Laura Finzi ) 說。

轉錄是細胞製作 DNA 片段的 RNA 副本的過程。一種稱為信使 RNA (mRNA) 的 RNA 編碼訊息以製造細胞或組織的結構和功能所需的蛋白質。

RNA 聚合酶 (RNAP) 是一種產生 mRNA 的蛋白質。它沿著雙螺旋 DNA 進行持續追踪，將其解開以讀取僅一條鏈的鹼基對序列，並合成匹配的 mRNA。當RNAP與「啟動子」DNA序列結合時，基因的這種「轉錄」開始，並在釋放mRNA拷貝的「終止子」序列處結束。終止的經典觀點認為，在釋放 mRNA 後，RNAP 與 DNA 分離。

由芬茲領導的研究小組，包括克萊姆森物理和天文學系研究教授大衛·鄧拉普（David Dunlap），首次證明了力如何在規範終止的替代方案中發揮作用。他們的研究是發表在日記中自然通訊。

使用磁性鑷子沿著DNA 模板拉動RNAP 聚合酶，研究人員能夠證明，在到達終止子時，細菌RNA 聚合酶可能保留在DNA 模板上，並被拉動向後滑動到相同的啟動子或向前滑動到相鄰的啟動子以開始啟動。因此，力的方向決定了DNA片段是否可以被轉錄多次或僅轉錄一次。 Finzi 和 Dunlap 報告說，這種力導向的回收機制可以改變相鄰基因的相對豐度。

此外，他們發現滑動RNAP的能力需要α亞基的C端結構域辨識與滑動方向相反的啟動子。這些亞基「讓它能夠保持在軌道上，翻轉並抓住DNA雙螺旋的另一條鏈，那裡可能是另一個啟動子，」她說。事實上，隨著α亞基的刪除，翻轉到相反方向的啟動子並沒有發生。

徹底了解調節基因組轉錄活性的分子機制可能會找到治療替代方案，其中 RNAP 可能會被修改以抑制某些蛋白質並預防疾病。

芬齊說，基因組中可能存在比其他位置回收更頻繁的位置，但這仍然未知。

「我的希望是，有一天，我們將獲得一張在我們有機體中各種類型細胞生命週期的不同時間作用於基因組的力的時空圖。我們的研究強調了力對重複轉錄機率的影響然後可以幫助以熱圖的方式預測和繪製不同程度的不同的基因，」芬齊說。