最新研究結果利用先進的顯微鏡技術在幾毫秒內捕捉了RNA聚合酶與DNA相互作用啟動轉錄的過程。這項突破為基因表現的調控機制提供了新的視角，有助於解決該領域長期存在的爭論。

RNA 聚合酶遇到DNA 時形成的中間複合物的首次影像之一。圖片來源：洛克斐勒大學分子生物物理學實驗室

每個活細胞都會將DNA 轉錄為RNA。當一種名為RNA 聚合酶（RNAP）的酵素連接到DNA 時，這個過程就開始了。在幾百毫秒內，DNA 雙螺旋展開，形成一個轉錄泡，使一條暴露的DNA 鏈被複製成一條互補的RNA 鏈。

RNAP 是如何完成這項創舉的，目前還不得而知。如果能捕捉到RNAP 打開轉錄泡過程的快照，就能提供大量訊息，但這過程發生得太快，目前的技術無法輕鬆捕捉到這些結構的可視化影像。現在，《自然-結構與分子生物學》（Nature Structural & Molecular Biology）雜誌上的一項新研究描述了大腸桿菌RNAP 開啟轉錄泡的過程。

這些發現是在RNAP與DNA混合後500毫秒內捕捉到的，揭示了轉錄的基本機制，回答了關於啟動機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即時捕捉瞬時轉錄複合物的形成過程，”第一作者、洛克菲勒大學塞斯-達斯特實驗室研究專家露絲-賽克（Ruth Saecker）說。 “了解這一過程至關重要，因為它是基因表現的主要調控步驟。”

達斯特是第一個描述細菌RNAP 結構的學者，研究其細微之處一直是他實驗室的工作重點。數十年的研究工作已經證實，RNAP 與DNA 的特定序列結合會觸發一系列步驟，從而打開氣泡，但RNAP 如何分離鏈並將一條鏈置於其活性位點上，仍然存在激烈的爭論。

該領域的早期研究表明，轉錄泡打開是這一過程中的關鍵減速因素，決定了RNAP 進入RNA 合成的速度。該領域後來的研究結果對這一觀點提出了質疑，並出現了關於這一限速步驟性質的多種理論。 「我們從其他生物學技術中了解到，當RNAP 第一次遇到DNA 時，它會產生一堆受到高度調控的中間複合物，”該實驗室博士後研究員、合著者安德烈亞斯-穆勒（Andreas Mueller）說。 “但這部分過程可能在不到一秒鐘的時間內發生，我們無法在如此短的時間尺度上捕捉結構”。

為了更了解這些中間複合物，研究小組與紐約結構生物學中心的同事合作，後者開發了一種基於噴墨的機器人系統，可以快速製備生物樣本，用於冷凍電鏡分析。透過這種合作，研究小組捕捉了RNAP 與DNA 相遇的最初100 到500 毫秒內形成的複合物，獲得了四種不同中間複合物的圖像，其細節足以進行分析。

RNA 聚合酶與DNA 結合的初始階段所形成的結構變化和中間產物首次清楚地展現在人們面前。 “這項技術對這項實驗極為重要，”Saecker 說。 “沒有快速混合DNA 和RNAP 並即時捕捉影像的能力，就不可能有這些結果”。

透過這些影像的研究，研究小組成功地勾勒出了一系列事件的輪廓，顯示了RNAP 在DNA 鏈分離時是如何與之相互作用的，其詳細程度是以前從未見過的。隨著DNA 的解開，RNAP 逐漸抓住其中一條DNA 鏈，防止雙螺旋重新組合在一起。每一次新的相互作用都會導致RNAP 改變形狀，形成更多的蛋白質-DNA 連接。這包括將阻止DNA 進入RNAP 活性位點的蛋白質的一部分擠出。這樣，一個穩定的轉錄泡就形成了。

研究團隊提出，轉錄的速率限制步驟可能是將DNA 模板鏈置於RNAP 酶的活性位點內。這一步驟需要克服巨大的能量障​​礙，並重新排列多個組件。未來的研究將致力於證實這項新假設，並探索轉錄的其他步驟。

穆勒說：”在這項研究中，我們只研究了最早期的步驟。下一步，我們希望研究轉錄週期中的其他複合物、較晚的時間點和其他步驟。”

除了解決有關DNA 鏈如何被捕獲的相互矛盾的理論之外，這些結果還凸顯了這種新方法的價值，它可以即時捕獲毫秒內發生的分子事件。這項技術將使更多此類研究成為可能，幫助科學家將生物系統中的動態相互作用視覺化。

達斯特說：”如果我們想了解生命中最基本的過程之一，即所有細胞都在做的事情，我們就需要了解它的進展和速度是如何調節的。一旦我們知道了這一點，我們就能更清楚地了解轉錄是如何開始的。

編譯自/ ScitechDaily