Ученые, изучающие генетическую транскрипцию, получают новое представление о процессе, который является фундаментальным для всей жизни. Транскрипция - это первый шаг в экспрессии генов, процесс, происходящий во всех живых клетках, при котором последовательность ДНК гена копируется в РНК, которая, в свою очередь (в самом общем смысле), служит шаблоном для сборки белковых молекул, основного построения. блоки жизни.
Многое из того, что ученые узнали о транскрипции за последние пять десятилетий, основано на массовых методах исследования с использованием большого количества живых клеток. Сегодня передовые методы визуализации позволяют ученым исследовать внутреннюю работу транскрипции в масштабе отдельных генов, и появляется новая, более подробная картина этого жизненно важного процесса..
Только на этой неделе ученые из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн опубликовали два новых исследования транскрипции одной молекулы in vivo в E. coli, одно из которых профессор Идо Голдинг и его коллеги, раскрывая неожиданные и важные факты. до настоящего времени скрытые драйверы клеточной индивидуальности; другой профессор Санджин Ким и его коллеги впервые продемонстрировали, что на динамику транскрипции влияет дальняя связь на молекулярном уровне между молекулами РНК-полимеразы (РНКП), когда они «считывают» последовательность гена по одному основанию за раз и собирают комплементарная цепь РНК.
Вместе эти два исследования раскрывают новые детали физических процессов экспрессии генов на уровне отдельных клеток и инициируют новое интересное направление исследований для ученых-членов Центра физики живых клеток (CPLC)., Центр физических границ Национального научного фонда на факультете физики Иллинойсского университета в Урбана-Шампейн.
Ким отмечает: «Проект моей мечты состоит в том, чтобы исследовать физический механизм этого возникающего феномена - связи между сверхспирализацией ДНК и движением РНК-полимеразы. CPLC - фантастическое место для изучения этого и сотрудничества с другими теоретическими и экспериментальными ученые на стыке микробиологии, биохимии и биофизики. Я уже связался с замечательными новыми коллегами, которые заинтересованы в сотрудничестве в этом, включая Идо Голдинга, Найджела Голденфельда и Яна Чемлу."
Голдинг и Ким только недавно присоединились к факультету физики Иллинойса, и два несвязанных, но дополняющих друг друга эксперимента были проведены в соответствующих предыдущих учреждениях ученого. Голдинг, который был преподавателем физики Иллинойса с 2007 по 2009 год, вернулся в физику Иллинойса в июле 2019 года из Медицинского колледжа Бейлора в Хьюстоне, где он занимал должность профессора биохимии и молекулярной биологии. Ким поступила на факультет физики штата Иллинойс в январе 2019 года после получения докторской степени в Йельском университете, где она работала в исследовательской группе известного микробиолога, профессора Кристин Джейкобс-Вагнер.
Драйверы бактериальной индивидуальности
Голдинг вместе с коллегами из Медицинского колледжа Бэйлора и Шанхайского университета Цзяо Тонг в Китае обнаружили специфические факторы индивидуальности бактерий, в конечном итоге сосредоточив внимание на процессе транскрипции. Исследователи использовали измерения отдельных клеток, а также компьютерное моделирование, чтобы охарактеризовать фазы транскрипции генов с точки зрения их динамики.
Выводы команды были опубликованы в Интернете в письме Nature Microbiology 16 сентября 2019 года.
Команда заметила, что слабо выраженный ген демонстрирует временный импульс транскрипционной активности примерно во время репликации гена. Другими словами, транскрипция прямо или косвенно реагирует на репликацию гена.
«Слишком рано определять окончательно, каков механизм, лежащий в основе этой связи репликации ДНК и транскрипции РНК», - отмечает Голдинг. «Но ясно, что это явление является движущей силой индивидуальности среди клеток в колонии, потому что отдельные клетки в растущей популяции не синхронизированы в своей фазе клеточного цикла, поэтому каждая из них будет реплицировать ген в разное время».
Голдинг добавляет: «Хотя мы до сих пор не знаем причину этой связи транскрипции и репликации генов, существует множество правдоподобных гипотез, и теоретики размышляют об этом в течение многих лет. Было высказано предположение, например, что вновь синтезированная ДНК - ген - более восприимчива к связыванию клеточными машинами, управляющими транскрипцией (РНКП и др.)."
Научный сотрудник Голдинга с докторской степенью Мэнью Ван, который является соавтором этого исследования, последовал за Голдингом в Иллинойс и в CPLC. Ван вспоминает свое первоначальное удивление, когда повторные эксперименты дали другую корреляцию транскрипции. Исследователи обнаружили, что когда в одной клетке есть две или более копий одного и того же гена, они иногда могут влиять друг на друга, синхронно включая или выключая транскрипцию..
Ванг комментирует: «Ученые предположили, что между различными копиями генов нет корреляции. Мы повторили наш эксперимент несколько раз, и в каждом запуске было несколько образцов, поэтому мы уверены в нашем результате. корреляция между различными копиями одного и того же гена, и эта корреляция зависит от условий роста. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы понять основной механизм, который здесь работает».
Голдинг отмечает, что в наших исследованиях транскрипции РНК еще многое предстоит сделать, чтобы привлечь к этому процессу больше внимания.
Теоретические модели, которые одновременно интерпретируют и предсказывают результаты массовых исследований, представляют внутриклеточный процесс транскрипции как стохастический - он по своей природе случайный и непредсказуемый на уровне клетки. Эти модели очень полезны для нашего понимания происходящего. как на уровне отдельных клеток, так и внутри колоний клеток. Но такие детализированные картины рискуют обозначить все неизвестное как непознаваемое и случайное», - отмечает Голдинг.
Новые исследовательские инициативы Центра физики живых клеток обещают помочь раскрыть специфику наиболее фундаментальных биологических процессов, связанных с наследственностью и уникальностью людей.
Изучая транскрипцию, происходящую в отдельной копии одного гена в клетке, а не делая выводы из общего числа молекул РНК, присутствующих в клетке, мы смогли наблюдать новые детали, которые в настоящее время теоретические модели процесса не учитывают», - заключает Голдинг.
В Иллинойсе Голдинг является членом CPLC, а также филиалом Института геномной биологии имени Карла Р. Вёзе и Департамента микробиологии.
Дальняя «связь» между молекулами РНК-полимеразы на одном гене
Ким вместе с коллегами из междисциплинарного Института микробных наук Йельского университета провела эксперименты in vitro и in vivo с генами, имеющими несколько РНКП, одновременно транскрибирующих ген, каждая из которых находится на разных этапах развития гена. Команда наблюдала дальнодействующие взаимодействия, которые ускоряли или снижали скорость транскрипции соседних РНКП, в зависимости от того, включался или выключался ген в ответ на условия окружающей среды.
Эти выводы были опубликованы в Интернете 19 сентября 2019 года в журнале Cell.
Удивительно, но команда обнаружила, что РНКП могут общаться друг с другом на расстоянии до двух тысяч оснований ДНК. А когда имеется несколько РНКП, они перемещаются быстрее, чем одна РНКП.
Ким объясняет механизм, лежащий в основе этого общения.
«Эта связь происходит благодаря свойству ДНК, называемому суперспирализацией, которое динамически изменяется как во время репликации, так и во время транскрипции», - описывает она.
«ДНК - это двойная спираль, которая скручивается - как веревка, которую можно скрутить - в ответ на то, что часть двойной нити открывается, чтобы ее можно было прочитать», - продолжает Ким. «Скручивание является естественным следствием функции. При транскрипции, когда РНКП перемещается вдоль ДНК, ДНК скручивается, но наше исследование показывает, что это, в свою очередь, становится механизмом, обеспечивающим связь между РНКП на большом расстоянии».
Команда также обнаружила, что, когда промотор - часть гена, которая действует как переключатель для включения и выключения транскрипции в зависимости от условий окружающей среды и клеточных потребностей - отключается, РНКП замедляются, а некоторые перестают работать. от ген.
По словам Кима, дальнейшее изучение коллективного поведения РНКП может пролить новый свет на множество молекулярных процессов, происходящих в ДНК, включая эволюцию генных мутаций.
Известно, что когда РНКП останавливается, она может вызвать мутации в генетическом коде. Это может иметь последствия для повышения устойчивости бактерий к антибиотикам. В будущей работе в CPLC я хочу проверить это, модулируя Суперспирализация ДНК и более глубокий взгляд на механику. Это направление исследований дает прекрасную возможность для сотрудничества между теорией и экспериментом».