Визуализация инициации транскрипции с разрешением на уровне одной молекулы

Ученые из группы Дирка Шюбелера в Институте биомедицинских исследований Фридриха Мишера (FMI) разработали новый подход, позволивший разделить и количественно оценить отдельные этапы инициации транскрипции. Неожиданно они обнаружили, что РНК-полимеразы часто диссоциируют с ДНК-матрицы, а не паузируют, прежде чем транскрипция продолжится. Это дало новые представления о механизмах регуляции генов.

Молекулярные биологи сталкиваются с проблемой, аналогичной той, что была у физиолога Этьена-Жюля Маре при изучении движения животных: при анализе связывания белков с геномом они видят тысячи событий, наложенных в размытую картину.

Группа в FMI разработала метод высокого разрешения, позволяющий детектировать разные фазы экспрессии генов. Как объясняет первый автор и стипендиат SNSF Ambizione Арно Кребс: «Впервые мы можем наблюдать связывание белков, регулирующих транскрипцию, на отдельных молекулах ДНК. Это позволяет изучать шаги транскрипционного процесса по одному».

Для транскрипции гена факторы транскрипции связываются с определенными последовательностями ДНК и рекрутируют РНК-полимеразу II, которая инициирует синтез РНК. Перед производством полной транскрипта полимераза делает короткую паузу для контроля качества. Считалось, что продление этой паузы может быть способом создания пула полимераз для быстрой активации генов, например, при стрессе.

Однако, используя новый метод для прямого анализа полимераз на ДНК, команда FMI обнаружила, что полимеразы часто преждевременно завершают транскрипцию, а не стабильно паузируют. Кребс отмечает, что большая часть РНК-полимераз диссоциирует с ДНК.

Как объясняет Шюбелер, эти находки уточняют преобладающую концепцию паузы: «Наши наблюдения скорее указывают на механизм с высоким оборотом РНК-полимеразы II на этих генах. Хотя это механически отличается от преобладающей концепции, новая модель также позволяет быстро активировать гены в ответ на стимулы».

Ученые FMI не только смогли количественно оценить связывание белков с разрешением на уровне одной молекулы, но и получили лучшее понимание инициации транскрипции и новые механистические представления о регуляции генов.