Новое понимание роли механических сил в экспрессии генов
Геном внутри наших клеток постоянно испытывает напряжение и кручение — отчасти из-за активности белков, которые уплотняют, закручивают в петли и раскручивают ДНК. Однако о том, как эти силы влияют на транскрипцию генов, известно мало.
Транскрипция — это процесс, при котором клетка создает РНК-копию сегмента ДНК. Один из типов РНК, матричная РНК (мРНК), кодирует информацию для создания белков, необходимых для структуры и функций клеток или тканей.
РНК-полимераза (RNAP) — это белок, который производит мРНК. Она перемещается вдоль двойной спирали ДНК, раскручивает её, чтобы прочитать последовательность нуклеотидов одной цепи, и синтезирует соответствующую мРНК. Такая транскрипция гена начинается, когда RNAP связывается с промоторной последовательностью ДНК, и заканчивается у терминаторной последовательности, где копия мРНК высвобождается. Каноническая модель предполагает, что после высвобождения мРНК RNAP отделяется от ДНК.
Команда исследователей под руководством Лауры Финци и Дэвида Данлэпа впервые продемонстрировала, как сила участвует в альтернативном, неканоническом механизме терминации. Их исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
Используя магнитный пинцет для растягивания РНК-полимеразы вдоль ДНК-матрицы, исследователи показали, что, достигнув терминатора, бактериальная РНК-полимераза может оставаться на ДНК-матрице и быть оттянутой назад к тому же промотору или вперед к соседнему промотору, чтобы начать следующий цикл транскрипции. Таким образом, направление силы определяет, будет ли сегмент ДНК транскрибирован многократно или только один раз. Этот механизм силовой рециркуляции может изменять относительное количество продуктов соседних генов.
Кроме того, было обнаружено, что способность RNAP к такому скольжению требует наличия C-концевого домена альфа-субъединицы для распознавания промотора, ориентированного в противоположном направлении скольжению. Именно эти субъединицы позволяют ферменту «оставаться на пути, развернуться и захватить другую цепь двойной спирали ДНК, где может находиться другой промотор». При удалении альфа-субъединиц разворот к противоположно ориентированным промоторам не происходил.
Тщательное понимание молекулярных механизмов, регулирующих транскрипционную активность в геноме, может указать на терапевтические альтернативы, в которых RNAP можно модифицировать для подавления определенных белков и предотвращения болезней.
По словам Финци, в геноме могут быть места, где рециркуляция происходит чаще, но это пока неизвестно. Её надежда — однажды создать пространственно-временную карту сил, действующих на геном в различные моменты жизненного цикла разных типов клеток организма. Исследование, показывающее влияние сил на вероятность повторной транскрипции, может помочь предсказать и визуализировать, подобно тепловой карте, различные уровни транскрипции разных генов.