Новые детальные изображения транскрипции ДНК
Исследователи из Университета штата Джорджия, Калифорнийского университета в Беркли и Северо-Западного университета представили беспрецедентный молекулярный обзор критических ранних событий в экспрессии генов — процесса, необходимого для всей жизни.
Криоэлектронная микроскопия (cryo-EM), техника изучения образцов при криогенных температурах, в сочетании с современным вычислительным моделированием позволила визуализировать крупные транскрипционные преинициаторные комплексы (PIC) с почти атомарным разрешением. PIC — это белковый комплекс, который позиционирует фермент РНК-полимеразу для начала транскрипции.
Новые структуры проливают свет на последовательные конформационные изменения в PIC на протяжении процесса инициации транскрипции, включая распознавание промоторного участка ДНК, его раскрытие и начало транскрипции. Исследование опубликовано в журнале Nature.
В начале этого строго контролируемого процесса РНК-полимераза и белки общих факторов транскрипции собираются в определённом сайте ДНК, формируя PIC. Сборка PIC необходима для раскрытия двойной спирали ДНК промотора, позиционирования ДНК в активном центре РНК-полимеразы и запуска транскрипции.
Химическое сшивание и кристаллография ранее давали лишь фрагментарные представления о частичных комплексах РНК-полимеразы у эукариот, но не могли определить структуру всего PIC. Процессы, ведущие к расплетанию ДНК PIC и формированию транскрипционного пузырька, были изучены недостаточно.
Для построения детальных атомарных моделей комплекса PIC команда применила методы интегративного молекулярного моделирования, используя современные суперкомпьютерные технологии. Исследователи показали, что разумное сочетание молекулярной динамики и уточнения атомных координат с помощью программного пакета Phenix приводит к моделям, сопоставимым по качеству с кристаллическими структурами в том же диапазоне разрешения.
Учёные зафиксировали человеческий PIC в трёх функциональных состояниях:
- Закрытое состояние, связанное с двойной спиралью ДНК промоторного региона.
- Открытое состояние, связанное с транскрипционным пузырьком.
- Инициирующий транскрипционный комплекс, готовый к синтезу матричной РНК (mRNA).
Также удалось визуализировать множество ранее не определённых компонентов человеческого PIC. Результаты раскрыли полную субъединичную организацию фактора транскрипции TFIIH, который играет ключевую роль в раскрытии промоторного региона. TFIIH оказался одним из самых сложных для разрешения элементов сборки PIC.
Сравнение закрытого, открытого и инициирующего состояний PIC даёт новое механистическое понимание процессов связывания ДНК, плавления промотора и стабилизации транскрипционного пузырька.
Это достижение стало возможным благодаря революции в криоэлектронной микроскопии, сочетающей технологию прямых электронных детекторов и новые мощные алгоритмы анализа изображений, что впервые позволило достичь разрешения, сопоставимого с кристаллографией.