آخرین مطالب

سرعت رونویسی DNA، تابعی از حالت‌های جمعی که توسط ابرپیچ‌پیچی DNA هدایت می‌شوند –


تیمی از فیزیکدانانی که در تقاطع تئوری و آزمایش کار می کنند، در حال پرتوهای جدید بر “کار گروهی” موتورهای مولکولی – به نام RNA پلیمرازها (RNAPs)) هستند که رونویسی DNA را واسطه می کنند. در طول رونویسی، اولین مرحله در بیان ژن، RNAP ها توالی های DNA را می خوانند و RNA پیام رسان (mRNA) را جمع آوری می کنند، که به نوبه خود به عنوان الگوی پروتئین های ضروری برای زندگی عمل می کند.

این تیم — متشکل از نویسنده اصلی پوربا چاترجی , دکترای اخیر فیزیک ایلینوی . فارغ التحصیل، اکنون محقق فوق دکتری در دانشگاه پنسیلوانیا. نایجل گلدنفلد، پروفسور ممتاز فیزیک ایلینوی، اکنون پروفسور ممتاز فیزیک دانشگاه کالیفرنیا در سن دیگو. و پروفسور فیزیک ایلینویز Sangjin Kim — یک مدل نظری جدید را معرفی می کند که توضیح می دهد چگونه مکانیسم ابرپیچ در DNA زیربنای دینامیک جمعی RNAP ها است که همزمان روی DNA برای رونویسی جابجا می شوند. پویایی RNAP ها در پاسخ به نیازهای سلول از حالت تعاونی به حالت متضاد تغییر می کند.

این یافته ها در 16 نوامبر 2021 در مقاله “DNA Supercoiling Drives a Transition between Collective Modes of Gene Synthesis” در مجله منتشر شد. نامه های بررسی فیزیکی.

در طول رونویسی، ابرپیچ دی‌ان‌ای زمانی اتفاق می‌افتد که تنش پیچشی با باز کردن زیپ بخشی از مارپیچ به دو رشته وارد می‌شود که یکی از آنها رونویسی می‌شود. کار محققان برای اولین بار دو عنصر اساسی را در مدل‌سازی رونویسی تحت پیچش نشان داد: اول، عوامل رونویسی که به خوبی شناخته شده‌اند بر سرعت شروع رونویسی RNAP نیز می‌توانند انتشار ابرکویل‌های DNA را کنترل کنند، و دوم، تعداد RNAP های موجود بر استرس پیچشی تجربه شده توسط RNAP های فردی تأثیر می گذارد.

گلدنفلد توضیح می دهد: “Supercoiling چیزی است که برای هر کسی که با شلنگ باغچه یا در گذشته با سیم تلفن کشتی گرفته است آشنا است. لوله های نیمه سفت و یا در این مورد مارپیچ ها به سختی تا می شوند و به شکل درهم های موضعی خم می شوند. حلقه هایی که می توانند شبیه شکل هشت یا بدتر به نظر برسند. زیست شناسی با همان مسائل هندسی در سطح مولکولی DNA در سلول های زنده مبارزه می کند.

هنگامی که یک RNAP رونویسی را آغاز می کند، در امتداد رشته جابه جا می شود و یک رشته مکمل mRNA را مونتاژ می کند. RNAP های اضافی به کار گرفته می شوند، هر RNAP سنتز mRNA را در امتداد همان بخش DNA آغاز می کند. سرعت شروع های بعدی RNAP اغلب توسط فاکتور رونویسی کنترل می شود، پروتئینی که به محل DNA در محلی که RNAP رونویسی را آغاز می کند، متصل می شود.

مطالعات تجربی و نظری قبلی پیش‌بینی کرده‌اند که سرعت جابه‌جایی RNAPs در طول DNA در طول رونویسی با تعداد RNAP‌هایی که به طور فعال همان توالی را رونویسی می‌کنند افزایش می‌یابد، اما در سال 2019، کیم، و همکاران برای اولین بار مشاهده شد که سرعت جابجایی RNAP تا زمانی که RNAP ها بدون در نظر گرفتن تعداد کل رونویسی را با سرعتی بالاتر از یک آستانه خاص آغاز کنند، بالا باقی می ماند. با کمال تعجب، آنها دریافتند که تعداد RNAP ها پس از خاموش شدن پروموتر بر روی سرعت تأثیر می گذارد – این زمانی است که RNAP ها شروع رونویسی را متوقف می کنند. در کار کنونی، تیم توضیح می‌دهد که چگونه ابرپیچ‌پیچ زیربنای این اثرات جمعی است.

دانشمندان سیستم بیولوژیکی را مدل‌سازی کردند که در آن RNAP‌های متعدد در حال رونویسی یک بخش از DNA هستند، با سرعت جابه‌جایی RNAP مشروط به گشتاورهای تولید شده توسط ابرپیچ‌زنی DNA.

چاترجی توضیح می‌دهد، “مدل ما دو عامل مهم را معرفی می‌کند که قبلاً برای ابرپیچ‌شدن DNA در نظر گرفته نشده بود. اول، تعداد RNAP‌ها مهم است. هر چه تعداد RNAP‌ها بیشتر باشد، پیچاندن DNA برای تک تک RNAP‌ها سخت‌تر می‌شود. این به این دلیل است که جرم هر RNAP و همچنین جرم mRNAی که توسط هر RNAP سنتز می شود به مقاومت DNA در برابر پیچش می افزاید. ، یک نور.

ثانیاً، اتصال و عدم اتصال فاکتورهای رونویسی در پروموتر – نقطه ورود RNAPs – نیز مهم است. فاکتورهای رونویسی نه تنها از بارگذاری RNAP ها با مسدود کردن محل ورود آنها به DNA جلوگیری می کنند، بلکه مولکول های حجیم هستند. آنها همچنین از شل شدن ابرپیچ های DNA جلوگیری می کنند. تصور کنید که یک نوار لاستیکی پیچ خورده را در دو انتها نگه داشته اید. وقتی یک انتها را رها می کنید، بلافاصله باز می شود تا استرس را کاهش دهد. به طور مشابه وقتی فاکتور رونویسی از هم جدا می شود، ابرپیچ های DNA که بین فاکتور رونویسی محدود می شود، باز می شود. و نزدیکترین RNAP به پروموتر منتشر می شود و بخش DNA به حالت آرام خود باز می گردد. این آرامش به آخرین RNAP بارگذاری شده در حرکت رو به جلو کمک می کند.”

با این دو ملاحظات جدید، محققان دریافتند که ابرپیچ دی‌ان‌ای تولید شده توسط حرکت RNAP می‌تواند دو حالت متضاد دینامیک گروه RNAP را هدایت کند. پویایی تعاونی تحت شرایط مساعد برای رونویسی ظاهر می شود، زمانی که توالی پروموتر در ابتدای بخش DNA “روشن” است. در این حالت، مکانیک انتشار ابرپیچ‌پیچ، رونویسی سریع‌تر را در کل سیستم تسهیل می‌کند، زیرا هر RNAP ابرسیم‌پیچ‌های DNA نزدیک‌ترین همسایه‌اش را به طور مؤثری خنثی می‌کند و منجر به سرعت‌های بالا بهینه برای هر یک می‌شود.

کیم می‌افزاید: «به‌خصوص، مکانیک انتشار ابرپیچ‌پیچ‌ها امکان لغو ابرکویل‌ها را برای تمام چگالی‌های RNAP فراهم می‌کند، و از این رو، تا زمانی که چگالی‌های RNAP از یک آستانه معین بالاتر باشد، می‌توان دینامیک همکاری را مشاهده کرد.»

چاترجی توضیح می دهد، “علی رغم هزینه های مرتبط با داشتن RNAP های زیاد روی ژن، حالت جمعی سرعت رونویسی را افزایش می دهد. این مشروط به بارگذاری مداوم RNAP ها است، به این معنی که یک پروموتور فعال وجود دارد که RNAP ها را بدون وقفه بر روی ژن بارگذاری می کند. بارگذاری مداوم. RNAP ها زمانی اتفاق می افتد که سلول بخواهد تا حد امکان رونوشت های بیشتری بسازد. همکاری بین RNAP ها در طول جابجایی آنها به رفع نیاز سلول کمک می کند.”

از سوی دیگر، تغییر به دینامیک آنتاگونیستی، جابجایی را برای همه RNAP های فعال کند می کند – اکنون، RNAP های متعددی که یک ژن را با هم رونویسی می کنند، در واقع حرکت یکدیگر را مختل می کنند و رونویسی به زودی به طور کلی خاموش می شود.

کیم می‌افزاید: «در حالی که در حالت تعاونی، داشتن همسایه منجر به لغو بهتر ابرکویل‌ها می‌شود و به کاهش استرس پیچشی روی RNAP کمک می‌کند تا بتواند با سرعت مطلوب حرکت کند، در حالت آنتاگونیستی، داشتن همسایه ویرانگر است. در این حالت جمعی، وجود RNAP های متعدد منجر به تنش پیچشی بیشتر و کاهش بیشتر سرعت می شود. این حالت آنتاگونیستی زمانی رخ می دهد که پروموتر خاموش شود – ورودی توسط یک فاکتور رونویسی مسدود شده است – در پاسخ به یک سیگنال. دست از رونوشت بردارید.”

چاترجی به طور خلاصه می گوید: “مدل نظری ما از مشاهدات تجربی Sangjin پشتیبانی می کند و یافته ها را از دیدگاه فیزیکی ابرپیچ DNA توضیح می دهد.”

گلدنفلد می افزاید: “مدل سازی ما و آزمایش های مبتکرانه Sangjin نشان می دهد که چگونه ماشین های مولکولی موسوم به RNA پلیمراز اساساً در فرآیندهایی که در نهایت منجر به ساخت پروتئین ها می شود ارتباط برقرار می کنند و به طور مشترک کار می کنند. این پروژه هیجان انگیز بدون همکاری عمیق بین مدل سازی نظری امکان پذیر نبود. و آزمایش، و نشان می دهد که چگونه پدیده های جمعی، که قبلاً در فیزیک آماری و ماده متراکم به خوبی درک شده اند، همچنین زیربنای اساسی ترین جنبه های بیان ژن بیولوژیکی هستند.”

کیم مشتاقانه منتظر ادامه این خط از تحقیقات در آزمایشگاه است.

او می‌گوید: «تعدادی از آزمایش‌های هیجان‌انگیز آینده برای انجام وجود دارد. ما می‌خواهیم دو ویژگی جدید معرفی‌شده در مدل را با تجسم ابرپیچ‌زنی DNA و اندازه‌گیری مستقیم گشتاورهای مقاوم در برابر DNA به‌طور تجربی تأیید کنیم. به طور خاص، ما می‌خواهیم اثر فاکتورهای رونویسی را بر کارایی رونویسی از طریق مسدود کردن انتشار ابرپیچ DNA آزمایش کنیم و اندازه‌گیری کنیم. اثر حضور RNAP های متعدد بر گشتاور بازیابی تجربه شده توسط یک RNAP منفرد.”

این کار توسط بنیاد ملی علوم، مؤسسه ملی بهداشت، برنامه محققین سرل، و یک انجمن تحقیقاتی Drickamer از دانشگاه ایلینویز Urbana-Champaign در گروه فیزیک حمایت شد. نتیجه‌گیری‌های ارائه‌شده مربوط به پژوهشگران است و نه لزوماً از سوی سازمان‌های تأمین مالی.