作者:伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的西夫·施温克
显示由转录相关的DNA超螺旋驱动的RNA聚合酶的协同和拮抗集体模式的图解
信用:Chaterjee等人
一组从事理论和实验交叉工作的物理学家正在揭示调节DNA转录的分子马达——被称为RNA聚合酶(RNAPs)——的“团队合作”
转录是基因表达的第一步，在转录过程中，核糖核酸“读取”脱氧核糖核酸序列并组装信使核糖核酸，而信使核糖核酸又成为生命所需蛋白质的模板
该团队由主要作者珀巴·查特吉组成，他是伊利诺伊大学物理学博士
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研究生，现为宾夕法尼亚大学博士后研究员；伊利诺伊大学物理学荣誉退休研究教授奈杰尔·戈登菲尔德，现任加州大学圣地亚哥分校名誉校长物理学特聘教授；伊利诺伊大学物理学教授桑金·金介绍了一个新的理论模型，阐明了脱氧核糖核酸中超螺旋的机制是如何构成核糖核酸聚合动力学的基础的，这些核糖核酸同时在脱氧核糖核酸上转移进行转录
响应细胞的需要，核糖核酸分子的动力学从合作模式转换到对抗模式
这些发现发表在2021年11月16日《物理评论快报》杂志上的文章《DNA超螺旋驱动基因合成集体模式之间的转变》中
在转录过程中，当扭转应力通过将螺旋的一部分拉开成两股而引入时，DNA超螺旋发生，其中一股将被转录
研究人员的工作首次揭示了在扭转条件下模拟转录的两个基本要素:第一，众所周知影响RNAP启动转录的速率的转录因子也可以控制DNA超螺旋的繁殖，第二，存在的核糖核酸的数量影响单个核糖核酸经历的扭转应力
Goldenfeld解释说，“对于任何一个曾经与花园水管搏斗过的人来说，或者在过去，与电话线搏斗过的人来说，超级电容都是很熟悉的东西
半刚性管，或者在这种情况下，螺旋很难折叠，它们弯曲成局部缠结——看起来像8字形或更糟的环
生物学在活细胞的DNA分子水平上与同样的几何问题作斗争
" 一旦RNAP启动转录，它就沿着链转移，组装成一条互补的mRNA链
额外的核糖核酸被招募，每个RNAP开始沿着同一段脱氧核糖核酸合成
随后RNAP启动的速率通常由转录因子控制，转录因子是一种在RNAP启动转录的位置与DNA位点结合的蛋白质
先前的实验和理论研究已经预测，转录过程中核糖核酸沿着脱氧核糖核酸转移的速度随着活跃转录相同序列的核糖核酸数量的增加而增加，但在2019年，金等人
首次观察到，只要核糖核酸以高于某个阈值的速度启动转录，RNAP易位的速度就保持很高，而不管总数是多少
令人惊讶的是，他们发现一旦启动子关闭，核糖核酸的数量会影响转录速度——也就是说，核糖核酸停止启动转录
在目前的工作中，该团队描述了超级螺旋是如何导致这些集体效应的
科学家们模拟了一个生物系统，其中多个核糖核酸转录同一段脱氧核糖核酸，RNAP易位速度受脱氧核糖核酸超螺旋产生的扭矩影响
查特吉解释说:“我们的模型引入了两个重要因素，这两个因素在之前的脱氧核糖核酸超螺旋中没有被考虑到
首先，核糖核酸的数量很重要
核糖核酸越多，单个核糖核酸就越难扭曲DNA
这是因为每个RNAP的质量以及每个RNAP合成的mRNA的质量增加了DNA对扭曲的抵抗力
这类似于现实生活中的观察，即厚而重的橡皮筋比薄而轻的橡皮筋更难扭曲
" “其次，转录因子在启动子上的结合和非结合也很重要，启动子是核糖核酸的入口
转录因子不仅通过阻断核糖核酸进入脱氧核糖核酸的位点来阻止核糖核酸的装载，而且由于是大分子，它们还阻止了脱氧核糖核酸超螺旋的松弛
想象一下，在两端拿着一根过度缠绕的橡皮筋
当你放开一端时，它会立即展开以减轻压力
类似地，当转录因子解束缚时，被限制在转录因子和最接近启动子的RNAP之间的DNA超螺旋扩散，DNA片段恢复到其松弛状态
这种放松有助于最后一个满载的RNAP向前运动
" 有了这两个新的考虑，研究人员发现由RNAP运动产生的DNA超螺旋可以驱动RNAP群动力学的两种截然不同的模式
当DNA片段起始处的启动子序列被“打开”时，在有利于转录的条件下，合作动力学出现
“在这种模式下，超螺旋扩散的机制促进了整个系统更快的转录，因为每个RNAP有效地抵消了它最近邻居的DNA超螺旋，从而为每个超螺旋带来了最佳的高速
Kim补充说，“值得注意的是，超螺旋扩散的机制允许对所有RNAP密度取消超螺旋，因此只要RNAP密度超过某个阈值，就可以观察到合作动力学
" 查特吉解释说，“尽管基因上有许多核糖核酸相关的成本，集体模式提高了转录速度
这取决于核糖核酸的持续装载，这意味着有一个活跃的启动子不间断地将核糖核酸装载到基因上
当细胞想要制造尽可能多的转录物时，核糖核酸的连续装载就发生了
核糖核酸在移位过程中的合作有助于完成细胞的需求
" 另一方面，向拮抗动力学的转变会减缓所有活性核糖核酸的易位——现在，多个核糖核酸一起转录一个基因实际上会损害彼此的运动，转录很快就会完全停止
Kim补充道，“然而，在合作模式下，有一个邻居会更好地消除超级电容，并有助于减少RNAP上的扭转应力，使其能够以最佳速度移动，而在对抗模式下，有一个邻居是毁灭性的
在这种集体模式下，多个RNAPs的存在导致更大的扭转应力和更大的速度降低
这种拮抗模式发生在启动子关闭时——转录因子阻断了进入——响应停止转录的信号
" 查特吉总结道:“我们的理论模型支持桑金的实验观察，并从DNA超螺旋的物理角度解释了这一发现
" Goldenfeld补充说，“我们的建模和Sangjin的巧妙实验揭示了被称为RNA聚合酶的分子机器是如何在最终导致蛋白质制造的过程中进行通信和合作的
如果没有理论建模和实验之间的深度合作，这个令人兴奋的项目是不可能的，它展示了在统计和凝聚态物理中已经很好理解的集体现象是如何支撑生物基因表达的最基本方面的
" 金期待着在实验室里继续这方面的研究
“未来有许多令人兴奋的实验要做，”她说
“我们希望通过可视化脱氧核糖核酸超螺旋和直接测量脱氧核糖核酸阻力矩来实验验证模型中引入的两个新特征
具体来说，我们希望通过阻断DNA超螺旋扩散来测试转录因子对转录效率的影响，并测量多个RNAP的存在对个体RNAP经历的恢复扭矩的影响
"
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