子科生物報(bào)道：生命的活動是通過蛋白質(zhì)的制造而發(fā)生的，蛋白質(zhì)賦予我們的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能。細(xì)胞蛋白質(zhì)從DNA編碼的基因指令中獲得行進(jìn)順序，他們的序列首先被復(fù)制并在一個(gè)叫做轉(zhuǎn)錄的多步驟過程中被制造成RNA。

科羅拉多州立大學(xué)的一個(gè)研究合作項(xiàng)目專門研究高分辨率熒光顯微鏡和計(jì)算模型，以實(shí)時(shí)、精細(xì)地可視化和描述這類生命過程，在單基因水平上?，F(xiàn)在，由博士后研究員Linda Forero-Quintero領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家們首次通過記錄RNA聚合酶在何處、何時(shí)以及如何通過與DNA序列結(jié)合啟動轉(zhuǎn)錄來觀察早期RNA轉(zhuǎn)錄動力學(xué)。

這項(xiàng)突破性技術(shù)，詳見《Nature Communications》雜志，有無數(shù)可能的拓展：包括加深對基本生物學(xué)過程的理解，揭示某些疾病的遺傳基礎(chǔ)。

“這是第一次有人研究單拷貝基因中的RNA聚合酶磷酸化動力學(xué)，”Forero說，他是蒙福特生物化學(xué)教授Tim Stasevich和副教授Brian Munsky的聯(lián)合培養(yǎng)博士后研究員?！霸谶^去，這種早期的轉(zhuǎn)錄活動只能通過基因陣列來觀察，這是由數(shù)百個(gè)基因拷貝組成的人工結(jié)構(gòu)，在細(xì)胞核中并不常見?！?/p>

Stasevich和Munsky領(lǐng)導(dǎo)了一項(xiàng)由W.M.Keck基金會和國家普通醫(yī)學(xué)科學(xué)研究所資助的合作，旨在揭示和量化活的單細(xì)胞中的實(shí)時(shí)基因表達(dá)。在這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室工作的Forero在合作的贊助下，以前研究過與神經(jīng)疾病相關(guān)的細(xì)胞膜中的蛋白質(zhì)和轉(zhuǎn)運(yùn)體。

早期轉(zhuǎn)錄活性

如《Nature Communications》中所述，F(xiàn)orero等人設(shè)計(jì)了一種方法，使用已建立的哺乳動物細(xì)胞系、工程熒光抗體片段和定制的超分辨率顯微鏡，以生動的顏色（藍(lán)色、綠色和紅色）捕捉早期轉(zhuǎn)錄過程。更具體地說，他們觀察到當(dāng)RNA聚合酶II（RNAP2）轉(zhuǎn)錄酶被磷酸化或被磷酸基團(tuán)修飾時(shí)，轉(zhuǎn)錄周期的開始，Munsky說：“這里的跨學(xué)科科學(xué)是新的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛦渭?xì)胞動力學(xué)的機(jī)械計(jì)算模型的奇妙結(jié)合，兩者在各自領(lǐng)域都非常新穎?！痹趯?shí)驗(yàn)室里，研究人員將他們的抗體片段加載到一個(gè)已建立的哺乳動物細(xì)胞系中，該細(xì)胞系含有一個(gè)報(bào)告基因，當(dāng)被轉(zhuǎn)錄時(shí)，會被一個(gè)熒光標(biāo)記的蛋白質(zhì)點(diǎn)亮。Stasevich在幾年前幫助開發(fā)的抗體片段，用熒光分子標(biāo)記，照亮RNAP2尾部的特定靶點(diǎn)。將這些標(biāo)記技術(shù)結(jié)合起來，研究人員可以區(qū)分轉(zhuǎn)錄周期中的三個(gè)不同步驟，并用不同的顏色標(biāo)記。用該系統(tǒng)獲得的圖像轉(zhuǎn)化為熒光強(qiáng)度波動。然后，研究人員利用這些信號來解釋RNAP2磷酸化在整個(gè)轉(zhuǎn)錄周期中在單個(gè)拷貝基因上的時(shí)空組織將其轉(zhuǎn)化為基于隨機(jī)微分方程的計(jì)算模型。通過擬合這個(gè)統(tǒng)計(jì)模型來重現(xiàn)所有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算團(tuán)隊(duì)隨后擴(kuò)展了他們的分析，以收集有關(guān)不同分子及其轉(zhuǎn)錄過程中狀態(tài)的新的機(jī)械和定量信息。

例如，他們估計(jì)了有多少單個(gè)RNA聚合酶分子聚集在DNA啟動子區(qū)域形成短暫的簇，這些簇持續(xù)多久，以及聚合酶如何、何時(shí)、何地沿著DNA分布。例如，他們發(fā)現(xiàn)，每一次轉(zhuǎn)錄活動都會在基因的啟動子區(qū)域產(chǎn)生一個(gè)由5到40個(gè)RNA聚合酶組成的簇，其中46%最終成功地轉(zhuǎn)錄了RNA。他們還發(fā)現(xiàn)，每一個(gè)RNA在釋放前大約需要5分鐘才能被完全轉(zhuǎn)錄和處理。

Forero說，這項(xiàng)技術(shù)具有深遠(yuǎn)的潛力，特別是與諸如CRISPR這樣的新技術(shù)相結(jié)合，在這種技術(shù)中，特定的基因可以被挑選出來并加以操縱。選擇某個(gè)感興趣的基因，比如說與疾病有關(guān)的基因，并應(yīng)用CSU研究人員對轉(zhuǎn)錄周期的實(shí)時(shí)讀數(shù)，可以讓研究人員在單個(gè)基因的活動水平上觀察疾病過程，在一個(gè)基因中，基因是這項(xiàng)工作最令人興奮的方面