Получено невиданное ранее изображение транскрипции генов
Недавние открытия иллюстрируют, как РНК-полимераза взаимодействует с ДНК, чтобы инициировать транскрипцию. Процесс зафиксирован за миллисекунды с помощью передовых методов микроскопии, пишет SciTechDaily. Научный прорыв дает новое понимание механизмов, регулирующих экспрессию генов, и помогает разрешить давние споры в этой области.
Каждая живая клетка транскрибирует ДНК в РНК. Этот процесс начинается, когда фермент, называемый РНК-полимеразой, присоединяется к ДНК. В течение нескольких сотен миллисекунд двойная спираль ДНК раскручивается, образуя транскрипционный пузырь, позволяющий одной открытой цепи ДНК скопироваться в комплементарную цепь РНК.
Как РНК-полимераза совершает свой подвиг, в значительной степени неизвестно. Снимок РНК-полимеразы в процессе открытия пузыря мог бы предоставить массу информации, но этот процесс происходит слишком быстро, чтобы современные технологии могли легко запечатлеть визуализацию этих структур. Теперь ученые смогли описать РНК-полимеразу E. coli в процессе открытия транскрипционного пузыря.
Результаты, полученные в течение 500 миллисекунд смешивания РНК-полимеразы с ДНК, проливают свет на фундаментальные механизмы транскрипции и отвечают на давние вопросы о механизме инициации и важности его различных этапов. «Это первый раз, когда кто-либо смог зафиксировать транзитные транскрипционные комплексы по мере их формирования в режиме реального времени», — говорит первый автор исследования Рут Сэккер, научный специалист в лаборатории Сета Дарста в Рокфеллеровском университете. По словам эксперта, понимание этого процесса имеет решающее значение, поскольку он играет важную регуляторную роль в экспрессии генов.
Дарст был первым, кто описал структуру бактериальной РНК-полимеразы, и выявление ее тонкостей остается основным направлением его лаборатории. Хотя десятилетия работы установили, что связывание РНК-полимеразы с определенной последовательностью ДНК запускает ряд шагов, которые открывают пузырь, то, как РНК-полимераза разделяет цепи и размещает одну цепь в ее активном участке, остается предметом горячих споров.
Ранние работы исследователей предполагали, что открытие пузырьков действует как критическое замедление процесса, определяя, насколько быстро РНК-полимераза может перейти к синтезу РНК. Более поздние результаты в этой области поставили под сомнение эту точку зрения.
«Мы знали из других биологических методов, что, когда РНК-полимераза впервые сталкивается с ДНК, она создает кучу промежуточных комплексов, которые строго регулируются, — говорит соавтор исследования Андреас Мюллер, научный сотрудник лаборатории Дарста. — Но эта часть процесса может произойти менее чем за секунду, и мы не смогли захватить структуры в столь короткие сроки».
Чтобы лучше понять промежуточные комплексы, ученые сотрудничали с коллегами из Нью-Йоркского центра структурной биологии. Они разработали роботизированную систему на основе струйной печати, которая могла быстро подготовить биологические образцы для анализа с помощью криоэлектронной микроскопии. Благодаря этому партнерству удалось запечатлеть комплексы, образующиеся в первые 100–500 миллисекунд встречи РНК-полимеразы с ДНК. Это дало изображения четырех отдельных промежуточных комплексов с достаточной степенью детализации для проведения анализа.
Изучив изображения, ученые обрисовали последовательность событий, показывающих, как РНК-полимераза взаимодействует с цепями ДНК по мере их разделения, на ранее невиданных уровнях детализации.
По мере того как ДНК раскручивается, РНК-полимераза постепенно захватывает одну из цепей ДНК, чтобы предотвратить повторное соединение двойной спирали. Каждое новое взаимодействие заставляет РНК-полимеразу менять форму, что позволяет образовывать больше соединений белок-ДНК. Это включает в себя вытеснение одной части белка, которая блокирует проникновение ДНК в активный участок РНК-полимеразы. Так формируется стабильный транскрипционный пузырь.
Ученые предполагают, что этапом, ограничивающим скорость транскрипции, может быть размещение матричной цепи ДНК в активном центре фермента РНК-полимеразы. Этот этап включает преодоление значительных энергетических барьеров и перестройку нескольких компонентов. Будущие исследования будут направлены на подтверждение новой гипотезы и изучение других этапов транскрипции.
«В исследовании мы рассмотрели только самые ранние этапы. Далее мы надеемся рассмотреть другие комплексы, более поздние временные точки и дополнительные этапы в цикле транскрипции», — заключает Мюллер.
Ранее ученые восстановили трехмерную структуру генетического кода мамонта. Как это возможно и на что влияет достижение ученых, можете узнать в другом материале Hi-Tech Mail.ru.
