细菌转录爆发现象的分子机制被揭示

最近，哈佛大学化学与生物化学系的谢晓亮实验室与北京国际数学研究中心的葛颢研究员合作，揭示了细菌内转录随机爆发现象(Transcriptional bursting)的分子机制，这种随机性是很多细胞和组织中细胞与细胞间基因表达量不同的主要根源之一。论文于今年的7月17日发表在《细胞》杂志上（论文链接），并得到了该杂志的同期评述（评述链接）。

从大概十年前开始，研究人员在不同的细胞中都发现了一个普遍的现象，即很多基因的转录都是以随机爆发的形式进行着的，转录的活跃程度会在十分活跃和很不活跃之间来回的跳跃。更令人感到困惑的是，即使是在充分去除了转录抑制蛋白以及其它各种之前已知的可能会导致转录抑制的机制之后，所观察到的基因转录依然是随机爆发形式的，而其机制并未得到很好的解释。

2011年初，哈佛大学谢晓亮实验室和庄小威实验室合作在Science上发文，利用超高分辨率技术发现了即使是在细菌中，DNA分子也不是自由的，它们会被分成一段一段的锚定在一些大的蛋白质分子上。同时早在上世纪八十年代，人们就发现在DNA转录的过程中，处于RNA聚合酶前方的DNA链将聚集所谓正超螺旋(positive supercoiling)，通俗的来讲就是DNA双螺旋结构原本是每10.5个碱基对转一圈(360度)的，而现在被转的越来越紧，每转一圈的碱基对数目越来越少，DNA形变越来越厉害了；与此相对应的，处于RNA聚合酶后方的DNA链将产生负超螺旋(negative supercoiling)，即完成一圈的碱基对数目越来越多。这两种DNA形变将由于DNA被锚定在一些大分子上而无法相互抵消。因此细胞内需要有两种酶，旋转酶(Topoisomerase IA)专门负责在RNA聚合酶的后方释放负超螺旋，而旋转酶(gyrase)则专门负责在RNA聚合酶的前方释放正超螺旋。

但是有研究表明，拓朴异构酶IA的活性是很高的，而旋转酶的活性是不高的，而且旋转酶在活细胞内的分子数也并不十分多，平均到每一段被铆定的DNA片段的话只有大约一个旋转酶分子。在这篇Cell文章里，研究人员发展了一套高通量的体外单分子荧光技术，可以实时的观测到单个分子上正在发生的转录过程。通过这一技术，研究人员发现，转录过程在RNA聚合酶前段不断聚集起来的正超螺旋，会渐渐地减慢RNA聚合酶的延伸速度，并最终彻底阻止转录的起始。而旋转酶酶和DNA分子的结合又可以使得转录得以继续。

同时，研究人员还利用单细胞mRNA技术荧光原位杂交(FISH)技术测到的活细胞体内mRNA分子个数的分布，并结合DNA转录过程的两状态数学模型，推断出转录爆发的工作周期(duty cycle)，即DNA转录处于活跃和不活跃的平均时间的比值。研究人员发现，该比值依赖于细胞内的旋转酶浓度，而且当在细胞内的质粒的转录下游人为添加一个旋转酶的强结合位点时，发现DNA转录处于活跃和不活跃的平均时间的比值是最高的。

综合以上的实验和理论，该研究表明，细菌里的转录爆发机制，就是来源于旋转酶分子与DNA分子的不断随机结合与解离，从而导致该DNA片段的超螺旋情况发生改变。

谢晓亮教授和葛颢研究员同时任北京大学生命科学学院生物动态光学成像中心研究员。

这项工作的重要意义在于这是利用单分子酶学的实验技术并结合随机数学模型，成功揭示活细胞内的一个与DNA力学性质紧密相关的重要且普适的机制。研究人员相信这个机制不仅仅存在于细菌中，在高等生物乃至哺乳生物的细胞中也应该是普遍存在的。（来源：科学网）