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通过张力和扭转来建模的——部分原因是压缩、循环、包裹和解开 DNA 的蛋白质的活动——但科学家们对这些力如何影响基因转录知之甚少。

“一直有很多机械力在发挥作用，但我们从未考虑过，我们对此知之甚少，而且教科书上也没有提及它们，”Waenard L. Miller, Jr. 博士劳拉·芬兹 (Laura Finzi) 说道。 '69 和希拉·M·米勒 (Sheila M. Miller) 共同担任克莱姆森大学医学生物物理学主席。

转录是细胞制作 DNA 片段的 RNA 副本的过程。一种称为信使 RNA (mRNA) 的 RNA 编码信息以制造细胞或组织的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 进行持续追踪，将其解开以读取仅一条链的碱基对序列，并合成匹配的 mRNA。当RNAP与“启动子”DNA序列结合时，基因的这种“转录”开始，并在释放mRNA拷贝的“终止子”序列处结束。终止的经典观点认为，在释放 mRNA 后，RNAP 与 DNA 分离。

由芬兹领导的研究小组，包括克莱姆森物理和天文学系研究教授大卫·邓拉普（David Dunlap），首次证明了力如何在规范终止的替代方案中发挥作用。他们的研究是发表在日记中自然通讯。

使用磁性镊子沿着 DNA 模板拉动 RNAP 聚合酶，研究人员能够证明，在到达终止子时，细菌 RNA 聚合酶可能保留在 DNA 模板上，并被拉动向后滑动到相同的启动子或向前滑动到相邻的启动子以开始启动。随后的转录周期。因此，力的方向决定了DNA片段是否可以被转录多次或仅转录一次。 Finzi 和 Dunlap 报告说，这种力导向的回收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端结构域识别与滑动方向相反的启动子。这些亚基“让它能够保持在轨道上，翻转并抓住DNA双螺旋的另一条链，那里可能是另一个启动子，”她说。事实上，随着α亚基的删除，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性的分子机制可能会找到治疗替代方案，其中 RNAP 可能被修改以抑制某些蛋白质并预防疾病。

芬齐说，基因组中可能存在比其他位置回收更频繁的位置，但这仍然未知。

“我的希望是，有一天，我们将获得一张在我们有机体中各种类型细胞生命周期的不同时间作用于基因组的力的时空图。我们的研究强调了力对重复转录概率的影响然后可以帮助以热图的方式预测和绘制不同级别的不同的基因，”芬齐说。