Многое из того, что ученые узнали о транскрипции за последние пять десятилетий, основано на методиках массового исследования с использованием большого количества живых клеток. Сегодня передовые методы визуализации позволяют ученым исследовать внутренние механизмы транскрипции в масштабе отдельных генов, и появляется новая более подробная картина этого жизненно важного процесса.
Буквально на этой неделе были проведены два новых исследования одномолекулярных соединений in vivo транскрипции в E. coli были опубликованы учеными из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн, один – профессором Идо Голдингом и его коллегами, раскрывая неожиданные и до сих пор скрытые факторы клеточной индивидуальности; другой – профессор Санджин Ким и его коллеги, впервые демонстрирующий, что на динамику транскрипции влияет связь на большом расстоянии между молекулами РНК-полимеразы (РНКП), когда они «читают» последовательность гена по одной основе за раз и собирают комплементарная цепь РНК.
Взятые вместе, эти два исследования проливают свет на новые детали физических процессов экспрессии генов на уровне отдельных клеток и инициируют новое захватывающее направление исследований для ученых-членов Центра физики живых клеток (CPLC), Национального научного фонда.
Центр Physics Frontiers на факультете физики Иллинойского университета в Урбана-Шампейн.
Ким отмечает: «Проект моей мечты – исследовать физический механизм этого возникающего явления – связь между сверхспирализацией ДНК и движением РНК-полимеразы. CPLC – фантастическое место для достижения этой цели и сотрудничества с другими учеными-теоретиками и экспериментаторами на стыке микробиологии, биохимии и биофизики. Я уже связался с новыми замечательными коллегами, которые заинтересованы в сотрудничестве над этим, в том числе с Идо Голдингом, Найджелом Голденфельдом и Янном Чемла."
Голдинг и Ким только недавно присоединились к факультету физики штата Иллинойс, и два не связанных между собой, но дополняющих друг друга эксперимента были выполнены в соответствующих учреждениях, ранее принадлежавших ученому. Голдинг, который был преподавателем Физики Иллинойса с 2007 по 2009 год, вернулся в Иллинойс Физикс в июле 2019 года из Медицинского колледжа Бейлора в Хьюстоне, где он занимал должность профессора биохимии и молекулярной биологии. Ким присоединилась к факультету физики Иллинойса в январе 2019 года после постдокторантуры 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 Бейлора и Шанхайского университета Цзяо Тонг в Китае выявили специфические факторы, определяющие индивидуальность бактерий, что в конечном итоге привело к более пристальному вниманию к процессу 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 от 16 сентября 2019 г.
Команда заметила, что слабо экспрессируемый ген демонстрирует временный импульс транскрипционной активности примерно во время репликации гена. Другими словами, транскрипция прямо или косвенно отвечает на событие репликации гена.
«Еще слишком рано окончательно определять, каков механизм, лежащий в основе этого сочетания репликации ДНК и транскрипции РНК», – отмечает Голдинг. «Но очевидно, 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 этого сочетания транскрипции и репликации генов, существует множество правдоподобных гипотез, и теоретики размышляли об этом в течение многих лет. Было высказано предположение, например, что недавно синтезированная ДНК – ген – более восприимчива к связыванию клеточными машинами, которые управляют транскрипцией (RNAP и другие)."
Постдокторант Голдинга Менгю Ван, со-ведущий автор этого исследования, последовал за Голдингом в Иллинойс и в CPLC. Ван вспоминает свое первоначальное удивление, когда повторные экспериментальные серии дали еще одну корреляцию транскрипции. Исследователи обнаружили, что когда есть две или более копий одного и того же гена в одной и той же клетке, они иногда могут влиять друг на друга, включая или выключая транскрипцию в унисон.
Ван комментирует: «Ученые предполагали, что между разными копиями генов нет корреляции. Мы повторили наш эксперимент несколько раз, и в каждом прогоне было несколько образцов, поэтому мы уверены в нашем результате. Существует корреляция между разными 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 изучить, чтобы сфокусировать этот процесс.
"Теоретические модели, которые 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 того, что происходит как на уровне отдельных клеток, так и внутри колоний клеток. Но такие рисунки с равномерной зернистостью рискуют пометить все неизвестное как непознаваемое и случайное », – отмечает Голдинг.
Новые исследовательские инициативы Центра физики живых клеток обещают помочь раскрыть специфику самых фундаментальных биологических процессов, связанных с наследственностью и уникальностью людей.
«Изучая транскрипцию, как она происходит в отдельной копии одного гена в клетке, вместо того, чтобы делать выводы из общего количества молекул РНК, присутствующих в клетке, мы смогли наблюдать новые детали, которые текущие теоретические модели процесса не принимайте во внимание ", – заключает Голдинг.
В Иллинойсе Голдинг является членом CPLC и дочерней компанией Carl R. Институт геномной биологии Везе и кафедра микробиологии.
Эта работа была поддержана Национальными институтами здравоохранения, Национальным научным фондом, а также грантами частных фондов и национальных финансовых агентств Китая. Представленные выводы принадлежат исследователям, а не обязательно финансирующих агентств.
«Связь» между молекулами РНК-полимеразы на одном гене
Ким вместе с коллегами из Междисциплинарного института микробных наук Йельского университета провели эксперименты in vitro и in vivo над генами, имеющими несколько RNAP, одновременно транскрибирующих ген, каждый на разных этапах развития гена. Команда наблюдала дальнодействующие взаимодействия, которые ускоряли или снижали скорость транскрипции соседних РНКП, в зависимости от того, был ли ген включен или выключен в ответ на условия окружающей среды.
Эти результаты были опубликованы в Интернете 19 сентября 2019 года в журнале Cell.
Команда обнаружила, что, к удивлению, RNAP могут связываться друг с другом на расстоянии до двух тысяч оснований в ДНК.
А когда есть несколько RNAP, они перемещаются быстрее, чем один RNAP.
Ким объясняет механизм, лежащий в основе этого общения.
«Эта связь исходит от свойства ДНК, называемого суперспирализацией, которое динамически изменяется как во время репликации, так и во время транскрипции», – описывает она.
«ДНК – это двойная спираль, которая суперспирается – как веревка, которую можно скрутить – в ответ на раскрытие части двойной нити, чтобы ее можно было прочитать», – продолжает Ким. "Скручивание – естественное следствие функции.
При транскрипции, когда РНКП перемещается по 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 потребностей клетки – был выключен, RNAP замедляются, и некоторые из них отключаются от гена.
По словам Кима, дальнейшее изучение коллективного поведения RNAP может пролить новый свет на множество молекулярных процессов, происходящих в ДНК, включая эволюцию генных мутаций.
"Известно, что когда RNAP останавливается, он может вносить мутации в генетический код.
Это может иметь последствия для роста устойчивости бактерий к антибиотикам. В будущей работе в CPLC я хочу проверить это, модулируя суперспирализацию ДНК и глубже изучая механику. Это направление исследований дает прекрасную возможность для сотрудничества теории и эксперимента."