細菌轉(zhuǎn)錄爆發(fā)現(xiàn)象分子機制被揭示：

最近，哈佛大學化學與生物化學系的謝曉亮實驗室與北京國際數(shù)學研究中心的葛顥研究員合作，揭示了細菌內(nèi)轉(zhuǎn)錄隨機爆發(fā)現(xiàn)象（Transcriptionalbursting）的分子機制，這種隨機性是很多細胞和組織中細胞與細胞間基因表達量不同的主要根源之一。論文于今年的7月17日發(fā)表在《細胞》雜志上，并得到了該雜志的同期評述。

從大概十年前開始，研究人員在不同的細胞中都發(fā)現(xiàn)了一個普遍的現(xiàn)象，即很多基因的轉(zhuǎn)錄都是以隨機爆發(fā)的形式進行著的，轉(zhuǎn)錄的活躍程度會在十分活躍和很不活躍之間來回的跳躍。更令人感到困惑的是，即使是在充分去除了轉(zhuǎn)錄抑制蛋白以及其它各種之前已知的可能會導致轉(zhuǎn)錄抑制的機制之后，所觀察到的基因轉(zhuǎn)錄依然是隨機爆發(fā)形式的，而其機制并未得到很好的解釋。

2011年初，哈佛大學謝曉亮實驗室和莊小威實驗室合作在Science上發(fā)文，利用超高分辨率技術(shù)發(fā)現(xiàn)了即使是在細菌中，DNA分子也不是自由的，它們會被分成一段一段的錨定在一些大的蛋白質(zhì)分子上。同時早在上世紀八十年代，人們就發(fā)現(xiàn)在DNA轉(zhuǎn)錄的過程中，處于RNA聚合酶前方的DNA鏈將聚集所謂正超螺旋（positivesupercoiling），通俗的來講就是DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)原本是每10.5個堿基對轉(zhuǎn)一圈（360度）的，而現(xiàn)在被轉(zhuǎn)的越來越緊，每轉(zhuǎn)一圈的堿基對數(shù)目越來越少，DNA形變越來越厲害了；與此相對應的，處于RNA聚合酶后方的DNA鏈將產(chǎn)生負超螺旋（negativesupercoiling），即完成一圈的堿基對數(shù)目越來越多。這兩種DNA形變將由于DNA被錨定在一些大分子上而無法相互抵消。因此細胞內(nèi)需要有兩種酶，旋轉(zhuǎn)酶（TopoisomeraseIA）專門負責在RNA聚合酶的后方釋放負超螺旋，而旋轉(zhuǎn)酶（gyrase）則專門負責在RNA聚合酶的前方釋放正超螺旋。

但是有研究表明，拓樸異構(gòu)酶IA的活性是很高的，而旋轉(zhuǎn)酶的活性是不高的，而且旋轉(zhuǎn)酶在活細胞內(nèi)的分子數(shù)也并不十分多，平均到每一段被鉚定的DNA片段的話只有大約一個旋轉(zhuǎn)酶分子。在這篇Cell文章里，研究人員發(fā)展了一套高通量的體外單分子熒光技術(shù)，可以實時的觀測到單個分子上正在發(fā)生的轉(zhuǎn)錄過程。通過這一技術(shù)，研究人員發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)錄過程在RNA聚合酶前段不斷聚集起來的正超螺旋，會漸漸地減慢RNA聚合酶的延伸速度，并最終徹底阻止轉(zhuǎn)錄的起始。而旋轉(zhuǎn)酶酶和DNA分子的結(jié)合又可以使得轉(zhuǎn)錄得以繼續(xù)醫(yī)學`教育網(wǎng)搜集整理。

同時，研究人員還利用單細胞mRNA技術(shù)熒光原位雜交（FISH）技術(shù)測到的活細胞體內(nèi)mRNA分子個數(shù)的分布，并結(jié)合DNA轉(zhuǎn)錄過程的兩狀態(tài)數(shù)學模型，推斷出轉(zhuǎn)錄爆發(fā)的工作周期（dutycycle），即DNA轉(zhuǎn)錄處于活躍和不活躍的平均時間的比值。研究人員發(fā)現(xiàn)，該比值依賴于細胞內(nèi)的旋轉(zhuǎn)酶濃度，而且當在細胞內(nèi)的質(zhì)粒的轉(zhuǎn)錄下游人為添加一個旋轉(zhuǎn)酶的強結(jié)合位點時，發(fā)現(xiàn)DNA轉(zhuǎn)錄處于活躍和不活躍的平均時間的比值是最高的。

綜合以上的實驗和理論，該研究表明，細菌里的轉(zhuǎn)錄爆發(fā)機制，就是來源于旋轉(zhuǎn)酶分子與DNA分子的不斷隨機結(jié)合與解離，從而導致該DNA片段的超螺旋情況發(fā)生改變。

謝曉亮教授和葛顥研究員同時任北京大學生命科學學院生物動態(tài)光學成像中心研究員。