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Nature子刊捕捉到从未见过的基因转录视图!

每个活细胞都将DNA转录成RNA。当一种叫做RNA聚合酶(RNAP)的酶夹住DNA时,这个过程就开始了。在几百毫秒内,DNA双螺旋展开形成一个节点,称为转录泡,这样一条暴露的DNA链就可以被复制成互补的RNA链。

RNAP如何完成这一壮举在很大程度上是未知的。RNAP在打开复制叉过程中的快照将提供丰富的信息,但该过程发生得太快,目前的技术无法轻松捕获这些结构的可视化。现在,《自然结构与分子生物学》上的一项新研究描述了大肠杆菌RNAP打开转录泡的行为。

这些发现是在RNAP与DNA混合的500毫秒内捕获的,揭示了转录的基本机制,并回答了关于起始机制及其各个步骤的重要性的长期问题。“这是第一次有人能够实时捕获瞬时转录复合物的形成,了解这一过程至关重要,因为它是基因表达的主要调控步骤。”第一作者Ruth Saecker说,她是洛克菲勒大学Seth Darst实验室的研究专家。

前所未有的景象

Seth Darst是第一个描述细菌RNAP结构的人,梳理出它的细微之处一直是他实验室的主要重点。虽然几十年的研究已经证实,RNAP与特定DNA序列的结合触发了一系列打开气泡的步骤,但RNAP如何分离这些链并将其中一条链定位在其活性位点仍然存在激烈的争论。

该领域的早期工作表明,气泡打开在这一过程中起着关键的减缓作用,决定了RNAP进入RNA合成的速度。后来该领域的研究结果对这一观点提出了挑战,并出现了关于这一限速步骤本质的多种理论。“我们从其他生物技术中了解到,当RNAP第一次遇到DNA时,它会产生一堆高度调控的中间复合物,但这部分过程可能在不到一秒钟的时间内发生,而我们无法在这么短的时间内捕捉到结构。”Andreas Mueller说。

为了更好地了解这些中间复合物,该团队与纽约结构生物学中心的同事合作,开发了一种基于喷墨的机器人系统,可以快速制备用于冷冻电子显微镜分析的生物样品。通过这种合作关系,研究小组捕获了RNAP与DNA相遇前100到500毫秒形成的复合物,产生了四种不同的中间复合物的图像,这些图像足够详细,可以进行分析。

这是第一次,在RNA聚合酶与DNA结合的初始阶段形成的结构变化和中间产物的清晰图像成为焦点。“这项技术对这个实验非常重要,”Saecker说。“如果没有快速混合DNA和RNAP并实时捕获其图像的能力,这些结果就不存在。”

就位

在检查这些图像后,研究小组设法勾勒出一系列事件,显示了RNAP在分离时如何与DNA链相互作用,其细节程度是前所未见的。当DNA展开时,RNAP会逐渐抓住其中一条DNA链,以防止双螺旋结构重新组合在一起。每一次新的相互作用都会导致RNAP改变形状,从而形成更多的蛋白质- dna连接。这包括推出阻止DNA进入RNAP活性位点的蛋白质的一部分。这样就形成了一个稳定的转录泡。

研究小组提出,转录中的限速步骤可能是DNA模板链在RNAP酶活性位点内的定位。这一步需要克服重要的能量障碍,并重新安排几个组成部分。未来的研究将致力于证实这一新的假设,并探索转录的其他步骤。

“在这项研究中,我们只研究了最早期的步骤。接下来,我们希望研究其他复合物、后来的时间点和转录周期中的其他步骤。”

除了解决关于如何捕获DNA链的相互矛盾的理论之外,这些结果突出了新方法的价值,它可以在几毫秒内实时捕获发生的分子事件。这项技术将使更多的此类研究成为可能,帮助科学家可视化生物系统中的动态相互作用。

Darst说:“如果我们想了解生命中最基本的过程之一,即所有细胞都在做的事情,我们就需要了解它的进程和速度是如何被调节的。”“一旦我们知道了这一点,我们就能更清楚地了解转录是如何开始的。”


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