Захват экстремально близких точек клеточной экспрессии генов
Ученые, изучающие генетическую транскрипцию, получают новые знания о процессе, который имеет фундаментальное значение для всей жизни.
Транскрипция - это первый шаг в экспрессии генов, процесс, происходящий во всех живых клетках, посредством которого последовательность ДНК гена копируется в РНК, которая, в свою очередь, служит (по большому счету) образцом для сборки белковых молекул - основных строительных блоков жизни.
Многое из того, что ученые обнаружили о транскрипции за последние пять десятилетий, основано на массовых методах исследования с использованием большого количества живых клеток.
Сегодня передовые технологии визуализации позволяют ученым исследовать внутреннюю работу транскрипции в масштабе отдельных генов, и появляется новая, более подробная картина этого жизненно важного процесса.
Два новых одномолекулярных исследований транскрипции были опубликованы учеными из Университета Иллинойса в Урбана-Кампайне, один из которых профессор Идо Голдинг и его коллеги раскрыли неожиданные и ныне скрытые факторы клеточной индивидуальности; другой профессор Санджин Ким и его коллеги впервые продемонстрировали, что на динамику транскрипции влияет молекулярная дистанционная связь между полимеразами РНК (RNAP) в процессе считывания одной из основных цепочек генной последовательности.
Взятые вместе, эти два исследования проясняют новые детали физических процессов экспрессии генов на уровне отдельных клеток и открывают новое интересное направление исследований для ученых Центра физики живых клеток (CPLC), Центра границ Национального научного фонда на физическом факультете университета штата Иллинойс в Урбана-Кампайн.
Ким отмечает: "Моя мечта - исследовать физический механизм этого нового явления - связь между суперобмоткой ДНК и движением РНК-полимеразы. CPLC является фантастическим местом для продолжения этой работы и сотрудничества с другими учеными-теоретиками и учеными-экспериментаторами на стыке микробиологии, биохимии и биофизики. Я уже познакомился с новыми замечательными коллегами, которые заинтересованы в сотрудничестве в этой области, включая Идо Голдинга, Найджела Голденфельда и Яна Чемлу".
Голдинг и Ким только недавно поступили на факультет физики в Иллинойсе, и два несвязанных, но взаимодополняющих эксперимента были проведены в соответствующих предыдущих институтах ученого. Голдинг, вернулся в Иллинойсскую физику в июле 2019 года из Медицинского колледжа Бейлора в Хьюстоне, где он занимал должность профессора биохимии и молекулярной биологии. Ким поступила на факультет физики Иллинойса в январе 2019 года после назначения на должность доктора наук в Йельский университет, где она работала в исследовательской группе известного микробиолога профессора Кристины Джейкобс-Вагнер.
Драйверы индивидуальности бактерий
Голдинг вместе с коллегами из Медицинского колледжа Бэйлор и Шанхайского университета Цзяо Тонга в Китае выявили специфические факторы индивидуальности бактерий, что в конечном итоге сделало процесс транскрипции более целенаправленным. Для характеристики фаз транскрипции генов с точки зрения их динамики исследователи использовали одноклеточные измерения, а также численное моделирование.
Группа отметила, что слабо экспрессированный ген проявляет временный импульс транскрипционной активности примерно во время репликации гена. Другими словами, транскрипция прямо или косвенно реагирует на событие репликации генов.
"Пока еще слишком рано точно определять, какой механизм лежит в основе этой связи репликации ДНК и транскрипции РНК", - отмечает Голдинг. "Но очевидно, что это явление является драйвером индивидуальности клеток колонии, поскольку отдельные клетки в растущей популяции несинхронизированы в своей клеточной фазе цикла, поэтому каждая из них будет воспроизводить ген в разное время".
Голдинг добавляет: "Пока мы еще не знаем причину такой связи транскрипции и репликации генов, существует много правдоподобных гипотез, и теоретики строят на этом предположения в течение многих лет. Например, было высказано предположение, что только что синтезированная ДНК - ген - более восприимчива к связыванию клеточными машинами, управляющими транскрипцией (РНКП и др.)".
Исследователь Голдинг после докторской степени Менгю Ванг, который является одним из ведущих авторов данного исследования, последовал за Голдингом в Иллинойс и CPLC. Ванг вспоминает свой первый сюрприз, когда повторные экспериментальные прогоны дали еще одну транскрипционную корреляцию.
Исследователи обнаружили, что при наличии двух или более копий одного и того же гена в одной клетке, они иногда могут влиять друг на друга, включая или выключая транскрипцию в унисон.
