新的理論模型驗證了實驗結(jié)果

一組從事理論和實驗交叉工作的物理學(xué)家正在揭示分子馬達(dá)的“團隊合作”——稱為 RNA 聚合酶 (RNAP)——介導(dǎo) DNA 轉(zhuǎn)錄。在轉(zhuǎn)錄過程中，基因表達(dá)的第一步，RNAP 會“讀取”DNA 序列并組裝信使 RNA (mRNA)，后者又作為生命必需蛋白質(zhì)的模板。

該團隊包括主要作者 Purba Chatterjee，最近獲得伊利諾伊州物理學(xué)博士學(xué)位。研究生，現(xiàn)為賓夕法尼亞大學(xué)博士后研究員;伊利諾伊州物理學(xué)名譽研究教授 Nigel Goldenfeld，現(xiàn)任加州大學(xué)圣地亞哥分校物理學(xué)杰出教授;和伊利諾伊州物理學(xué)教授 Sangjin Kim 介紹了一個新的理論模型，闡明了 DNA 中的超螺旋機制如何成為同時在 DNA 上進(jìn)行轉(zhuǎn)錄易位的 RNAP 集體動力學(xué)的基礎(chǔ)。RNAPs 動力學(xué)從合作模式切換到對抗模式，以響應(yīng)細(xì)胞的需要。

這些發(fā)現(xiàn)于 2021 年 11 月 16 日發(fā)表在《物理評論快報》雜志上的文章“DNA 超螺旋驅(qū)動基因合成集體模式之間的過渡”中。

在轉(zhuǎn)錄過程中，當(dāng)通過將螺旋的一部分解壓縮成兩條鏈而引入扭轉(zhuǎn)應(yīng)力時，DNA 超螺旋發(fā)生，其中一條將被轉(zhuǎn)錄。研究人員的工作首次揭示了模擬扭轉(zhuǎn)下轉(zhuǎn)錄的兩個基本要素：首先，眾所周知的影響 RNAP 啟動轉(zhuǎn)錄速率的轉(zhuǎn)錄因子也可以控制 DNA 超螺旋的傳播，其次，存在的 RNAP 會影響單個 RNAP 所經(jīng)歷的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。

Goldenfeld 解釋說，“超級螺旋對于任何曾經(jīng)與花園軟管或過去的電話線搏斗的人來說都是熟悉的。半剛性管，或者在這種情況下，螺旋難以折疊，它們彎曲成局部纏結(jié) - 環(huán)“它看起來像八字形或更糟。生物學(xué)在活細(xì)胞內(nèi)的 DNA 分子水平上與相同的幾何問題作斗爭。”

一旦 RNAP 啟動轉(zhuǎn)錄，它就會沿鏈易位，組裝 mRNA 的互補鏈。招募額外的 RNAP，每個 RNAP 沿著相同的 DNA 片段啟動 mRNA 合成。隨后的 RNAP 啟動的速率通常由轉(zhuǎn)錄因子控制，轉(zhuǎn)錄因子是一種與 RNAP 啟動轉(zhuǎn)錄位置的 DNA 位點結(jié)合的蛋白質(zhì)。

先前的實驗和理論研究預(yù)測，轉(zhuǎn)錄過程中 RNAPs 沿 DNA 易位的速度隨著活躍轉(zhuǎn)錄相同序列的 RNAPs 的數(shù)量而增加，但在 2019 年，Kim等人。首次觀察到，只要 RNAPs 以高于某個閾值的速率啟動轉(zhuǎn)錄，無論總數(shù)如何，RNAP 易位的速度仍然很高。令人驚訝的是，他們發(fā)現(xiàn)一旦啟動子關(guān)閉，即 RNAPs 停止啟動轉(zhuǎn)錄時，RNAPs 的數(shù)量就會影響速度。在當(dāng)前的工作中，該團隊描述了超螺旋如何成為這些集體效應(yīng)的基礎(chǔ)。

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