Genom wewnątrz każdej naszej komórki jest modelowany przez napięcie i skręcanie – częściowo ze względu na aktywność białek, które zagęszczają, zapętlają, owijają i rozkręcają DNA – ale naukowcy niewiele wiedzą o tym, jak siły te wpływają na transkrypcję genów.
„Cały czas działa wiele sił mechanicznych, o których nigdy nie bierzemy pod uwagę, że mamy o nich bardzo małą wiedzę i nie wspomina się o nich w podręcznikach” – stwierdziła Laura Finzi, dr Waenard L. Miller Jr. ’69 i Sheila M. Miller mianowała katedrę biofizyki medycznej na Uniwersytecie Clemson.
Transkrypcja to proces, w którym komórka tworzy kopię RNA segmentu DNA. Jeden rodzaj RNA, zwany informacyjnym RNA (mRNA), koduje informacje potrzebne do wytworzenia białek niezbędnych do budowy i funkcji komórek lub tkanek.
Polimeraza RNA (RNAP) to rodzaj białka wytwarzającego mRNA. Śledzi procesowo wzdłuż podwójnej spirali DNA, rozkręca go, aby odczytać sekwencję par zasad tylko jednej nici i syntetyzuje pasujący mRNA. Taka „transkrypcja” genu rozpoczyna się, gdy RNAP wiąże się z „promotorową” sekwencją DNA i kończy się na sekwencji „terminatora”, w której uwalniana jest kopia mRNA. Kanoniczny pogląd na terminację utrzymuje, że po uwolnieniu mRNA RNAP oddziela się od DNA.
Zespół badaczy kierowany przez Finziego, w skład którego wchodzi David Dunlap, profesor naukowy na Wydziale Fizyki i Astronomii w Clemson, po raz pierwszy wykazał, jaką rolę odgrywa siła w alternatywnym rozwiązaniu dla zakończenia kanonicznego.
Używając pęsety magnetycznej do przeciągnięcia polimerazy RNAP wzdłuż matrycy DNA, badacze byli w stanie wykazać, że po dotarciu do terminatora bakteryjna polimeraza RNA może pozostać na matrycy DNA i zostać pociągnięta, aby przesunąć się do tyłu do tego samego lub do przodu do sąsiedniego promotora, aby rozpocząć kolejny cykl transkrypcji. Zatem kierunek siły określa, czy odcinek DNA może podlegać transkrypcji wielokrotnie, czy tylko raz. Finzi i Dunlap podają, że ten mechanizm recyklingu sterowany siłą może zmienić względną liczebność sąsiednich genów.
Co więcej, odkryli, że zdolność przesuwającego się RNAP wymaga, aby domena C-końcowa podjednostki alfa rozpoznawała promotor zorientowany przeciwnie do kierunku przesuwania. Podjednostki te „pozwalają mu pozostać na właściwej drodze, odwrócić się i złapać drugą nić podwójnej helisy DNA w miejscu, w którym może znajdować się inny promotor” – powiedziała. Rzeczywiście, po usunięciu podjednostek alfa, nie nastąpiło przejście do promotorów o przeciwnej orientacji.
Dokładne zrozumienie mechanizmów molekularnych regulujących aktywność transkrypcyjną w genomie może zidentyfikować alternatywy terapeutyczne, w których można zmodyfikować RNAP w celu tłumienia niektórych białek i zapobiegania chorobom.
Finzi powiedział, że mogą istnieć miejsca w genomie, w których recykling zachodzi częściej niż inne, ale nadal nie jest to znane.
„Mam nadzieję, że pewnego dnia będziemy dysponować czasoprzestrzenną mapą sił działających na genom w różnych momentach cyklu życiowego różnych typów komórek w naszym organizmie. Nasze badania podkreślają wpływ sił na prawdopodobieństwo powtarzającej się transkrypcji mogą następnie pomóc w przewidywaniu i wykreślaniu, w sposób przypominający mapę cieplną, różnych poziomów transkrypcji różnych genów” – powiedział Finzi.
