Исследователи впервые запечатлели процесс транскрипции генов
Каждая живая клетка транскрибирует ДНК в РНК. Этот процесс начинается, когда фермент РНК-полимераза (RNAP) связывается с ДНК. В течение нескольких сотен миллисекунд двойная спираль ДНК раскручивается, образуя транскрипционный пузырёк, чтобы одна из цепей могла быть скопирована в комплементарную цепь РНК.
Как именно RNAP выполняет эту задачу, в значительной степени неизвестно. Снимок RNAP в момент раскрытия пузырька дал бы массу информации, но процесс происходит слишком быстро для современных технологий.
Новое исследование, опубликованное в Nature Structural & Molecular Biology, описывает RNAP E. coli в момент раскрытия транскрипционного пузырька.
Результаты, полученные в течение 500 миллисекунд после смешивания RNAP с ДНК, проливают свет на фундаментальные механизмы транскрипции и отвечают на давние вопросы о механизме инициации.
«Это первый случай, когда кому-либо удалось запечатлеть нестабильные транскрипционные комплексы в момент их формирования в реальном времени», — говорит первый автор Рут Сэкер. — Понимание этого процесса крайне важно, так как это ключевой этап регуляции экспрессии генов».
Беспрецедентный обзор
Ранее считалось, что раскрытие пузырька является критически важным замедлением процесса, определяющим скорость перехода к синтезу РНК. Поздние результаты оспорили эту точку зрения, и появилось несколько теорий.
«Мы знали из других биологических методов, что при первой встрече RNAP с ДНК образуется множество промежуточных комплексов, — говорит соавтор Андреас Мюллер. — Но эта часть процесса может занимать менее секунды, и мы не могли уловить структуры в таком временном масштабе».
Чтобы изучить эти промежуточные комплексы, команда сотрудничала с коллегами из New York Structural Biology Center, которые разработали роботизированную систему на основе струйной печати для быстрой подготовки биологических образцов для анализа методом криоэлектронной микроскопии.
Это позволило запечатлеть комплексы, формирующиеся в первые 100–500 миллисекунд встречи RNAP и ДНК, и получить изображения четырёх различных промежуточных комплексов, пригодных для анализа.
«Технология была чрезвычайно важна для этого эксперимента, — говорит Сэкер. — Без возможности быстро смешать ДНК и RNAP и получить изображение в реальном времени этих результатов бы не существовало».
Захват ДНК
При изучении изображений команда смогла описать последовательность событий, показывающую, как RNAP взаимодействует с цепями ДНК при их разделении. По мере раскручивания ДНК RNAP постепенно захватывает одну из цепей, чтобы предотвратить восстановление двойной спирали.
Каждое новое взаимодействие заставляет RNAP менять форму, позволяя формироваться новым связям белок-ДНК. Это включает вытеснение части белка, которая блокирует попадание ДНК в активный центр RNAP. Таким образом формируется стабильный транскрипционный пузырёк.
Команда предполагает, что лимитирующей стадией транскрипции может быть позиционирование матричной цепи ДНК в активном центре фермента RNAP. Этот шаг связан с преодолением значительных энергетических барьеров и перестройкой нескольких компонентов.
«В этом исследовании мы рассмотрели только самые ранние этапы, — говорит Мюллер. — Далее мы надеемся изучить другие комплексы, более поздние временные точки и дополнительные стадии цикла транскрипции».
Помимо разрешения противоречивых теорий о захвате цепей ДНК, эти результаты подчёркивают ценность нового метода, способного фиксировать молекулярные события, происходящие за миллисекунды в реальном времени.
«Если мы хотим понять один из самых фундаментальных процессов в жизни, то, что делают все клетки, нам нужно понять, как регулируются его ход и скорость, — говорит Дарст. — Как только мы это узнаем, у нас будет гораздо более ясная картина того, как начинается транскрипция».