每個活細(xì)胞都會將 DNA 轉(zhuǎn)錄成 RNA。這個過程始于一種名為 RNA 聚合酶 (RNAP) 的酶夾住 DNA。在幾百毫秒內(nèi)，DNA 雙螺旋解開形成一個稱為轉(zhuǎn)錄泡的節(jié)點(diǎn)，這樣一條暴露的 DNA 鏈就可以被復(fù)制成一條互補(bǔ)的 RNA 鏈。

RNAP 如何實(shí)現(xiàn)這一壯舉在很大程度上是未知的。RNAP 打開轉(zhuǎn)錄泡的過程快照將提供大量信息，但這個過程發(fā)生得太快，目前的技術(shù)無法輕松捕捉到這些結(jié)構(gòu)的可視化。現(xiàn)在，《 自然結(jié)構(gòu)與分子生物學(xué)》 雜志上的 一項新研究 描述了大腸桿菌 RNAP 打開轉(zhuǎn)錄泡的過程。

該研究結(jié)果在 RNAP 與 DNA 混合后 500 毫秒內(nèi)被捕獲，揭示了轉(zhuǎn)錄的基本機(jī)制，并解答了關(guān)于啟動機(jī)制及其各個步驟的重要性的長期問題。“這是第一次有人能夠?qū)崟r捕獲瞬時轉(zhuǎn)錄復(fù)合物的形成過程，”第一作者、 洛克菲勒大學(xué)Seth Darst實(shí)驗(yàn)室的研究專家 Ruth Saecker 說。“了解這一過程至關(guān)重要，因?yàn)樗腔虮磉_(dá)中的一個重要調(diào)控步驟。”

前所未有的視角

Darst 是第一個描述細(xì)菌 RNAP 結(jié)構(gòu)的人，而梳理其精細(xì)結(jié)構(gòu)一直是其實(shí)驗(yàn)室的主要工作重點(diǎn)。盡管數(shù)十年的研究已經(jīng)證實(shí)，RNAP 與特定 DNA 序列結(jié)合會觸發(fā)一系列步驟來打開氣泡，但 RNAP 如何分離鏈并將一條鏈定位在其活性位點(diǎn)仍存在激烈爭論。

該領(lǐng)域的早期研究表明，氣泡打開是該過程的關(guān)鍵減緩因素，決定了 RNAP 進(jìn)入 RNA 合成的速度。該領(lǐng)域后來的研究結(jié)果挑戰(zhàn)了這一觀點(diǎn)，并出現(xiàn)了關(guān)于這一限速步驟性質(zhì)的多種理論。“我們從其他生物技術(shù)中了解到，當(dāng) RNAP 首次遇到 DNA 時，它會形成一堆受到嚴(yán)格調(diào)控的中間復(fù)合物，”該實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員、論文合著者 Andreas Mueller 說。“但這一過程可以在不到一秒的時間內(nèi)完成，我們無法在如此短的時間內(nèi)捕捉到結(jié)構(gòu)。”

為了更好地理解這些中間復(fù)合物，該團(tuán)隊與紐約結(jié)構(gòu)生物學(xué)中心的同事合作，后者開發(fā)了一種基于噴墨的機(jī)器人系統(tǒng)，可以快速準(zhǔn)備生物樣本進(jìn)行低溫電子顯微鏡分析。通過這種合作，該團(tuán)隊捕獲了 RNAP 與 DNA 相遇后前 100 到 500 毫秒內(nèi)形成的復(fù)合物，并獲得了四種不同中間復(fù)合物的圖像，其細(xì)節(jié)足以進(jìn)行分析。

這是第一次清晰地展現(xiàn)出 RNA 聚合酶與 DNA 結(jié)合的初始階段形成的結(jié)構(gòu)變化和中間體。“這項技術(shù)對這項實(shí)驗(yàn)極其重要，”Saecker 說。“如果沒有快速混合 DNA 和 RNAP 并實(shí)時捕捉其圖像的能力，這些結(jié)果就不可能存在。”

就位

通過檢查這些圖像，研究小組成功地勾勒出一系列事件，展示了 RNAP 如何與 DNA 鏈在分離時相互作用，其細(xì)節(jié)程度前所未見。隨著 DNA 解開，RNAP 逐漸抓住一條 DNA 鏈，防止雙螺旋重新結(jié)合在一起。每次新的相互作用都會導(dǎo)致 RNAP 改變形狀，從而形成更多的蛋白質(zhì)-DNA 連接。這包括推出阻止 DNA 進(jìn)入 RNAP 活性位點(diǎn)的蛋白質(zhì)的一部分。這樣就形成了穩(wěn)定的轉(zhuǎn)錄泡。

研究小組提出，轉(zhuǎn)錄中的限速步驟可能是 DNA 模板鏈在 RNAP 酶活性位點(diǎn)內(nèi)的定位。此步驟涉及克服重大能量障礙并重新排列多個組件。未來的研究將旨在證實(shí)這一新假設(shè)并探索轉(zhuǎn)錄中的其他步驟。

“我們只研究了這項研究中最早的步驟，”穆勒說。“接下來，我們希望研究轉(zhuǎn)錄周期中的其他復(fù)合物、較晚的時間點(diǎn)和其他步驟。”

除了解決關(guān)于如何捕獲 DNA 鏈的相互矛盾的理論之外，這些結(jié)果還凸顯了新方法的價值，該方法可以實(shí)時捕獲幾毫秒內(nèi)發(fā)生的分子事件。這項技術(shù)將使更多此類研究成為可能，幫助科學(xué)家可視化生物系統(tǒng)中的動態(tài)相互作用。

“如果我們想了解生命中最基本的過程之一，即所有細(xì)胞都會發(fā)生的過程，我們就需要了解其進(jìn)程和速度是如何受到調(diào)控的，”達(dá)斯特說。“一旦我們知道了這一點(diǎn)，我們就能更清楚地了解轉(zhuǎn)錄是如何開始的。”