細菌轉錄爆發現象的分子機制被揭示

日期：2014-09-18 13:51:01

最近，哈佛大學化學與生物化學系的謝曉亮實驗室與北京國際數學研究中心的葛顥研究員合作，揭示了細菌內轉錄隨機爆發現象(Transcriptional bursting)的分子機制，這種隨機性是很多細胞和組織中細胞與細胞間基因表達量不同的主要根源之一。論文于今年的7月17日發表在《細胞》雜志上。

從大概十年前開始，研究人員在不同的細胞中都發現了一個普遍的現象，即很多基因的轉錄都是以隨機爆發的形式進行著的，轉錄的活躍程度會在十分活躍和很不活躍之間來回的跳躍。更令人感到困惑的是，即使是在充分去除了轉錄抑制蛋白以及其它各種之前已知的可能會導致轉錄抑制的機制之后，所觀察到的基因轉錄依然是隨機爆發形式的，而其機制并未得到很好的解釋。

2011年初，哈佛大學謝曉亮實驗室和莊小威實驗室合作在Science上發文，利用超高分辨率技術發現了即使是在細菌中，DNA分子也不是自由的，它們會被分成一段一段的錨定在一些大的蛋白質分子上。同時早在上世紀八十年代，人們就發現在DNA轉錄的過程中，處于RNA聚合酶前方的DNA鏈將聚集所謂正超螺旋(positive supercoiling)，通俗的來講就是DNA雙螺旋結構原本是每10.5個堿基對轉一圈(360度)的，而現在被轉的越來越緊，每轉一圈的堿基對數目越來越少，DNA形變越來越厲害了；與此相對應的，處于RNA聚合酶后方的DNA鏈將產生負超螺旋(negative supercoiling)，即完成一圈的堿基對數目越來越多。這兩種DNA形變將由于DNA被錨定在一些大分子上而無法相互抵消。因此細胞內需要有兩種酶，旋轉酶(Topoisomerase IA)專門負責在RNA聚合酶的后方釋放負超螺旋，而旋轉酶(gyrase)則專門負責在RNA聚合酶的前方釋放正超螺旋。

但是有研究表明，拓樸異構酶IA的活性是很高的，而旋轉酶的活性是不高的，而且旋轉酶在活細胞內的分子數也并不十分多，平均到每一段被鉚定的DNA片段的話只有大約一個旋轉酶分子。在這篇Cell文章里，研究人員發展了一套高通量的體外單分子熒光技術，可以實時的觀測到單個分子上正在發生的轉錄過程。通過這一技術，研究人員發現，轉錄過程在RNA聚合酶前段不斷聚集起來的正超螺旋，會漸漸地減慢RNA聚合酶的延伸速度，并最終徹底阻止轉錄的起始。而旋轉酶酶和DNA分子的結合又可以使得轉錄得以繼續。

同時，研究人員還利用單細胞mRNA技術熒光原位雜交(FISH)技術測到的活細胞體內mRNA分子個數的分布，并結合DNA轉錄過程的兩狀態數學模型，推斷出轉錄爆發的工作周期(duty cycle)，即DNA轉錄處于活躍和不活躍的平均時間的比值。研究人員發現，該比值依賴于細胞內的旋轉酶濃度，而且當在細胞內的質粒的轉錄下游人為添加一個旋轉酶的強結合位點時，發現DNA轉錄處于活躍和不活躍的平均時間的比值是最高的。

綜合以上的實驗和理論，該研究表明，細菌里的轉錄爆發機制，就是來源于旋轉酶分子與DNA分子的不斷隨機結合與解離，從而導致該DNA片段的超螺旋情況發生改變。