Биологам уже давно известно, что хромосомы, как правило, экспрессируют свои белковые продукты скачкообразно, а не стабильно. Новое теоретическое исследование ученых Университета Райса, подробно описанное в Biophysical Journal, направлено на лучшее объяснение процесса, сочетающего химические реакции и механические силы.
Химик риса Анатолий Коломейский и аспирант прикладной физики и ведущий автор Алена Клиндзюк построили первую упрощенную аналитическую модель «взрыва», чтобы показать, как давление фермента РНК-полимеразы запускает пик производства РНК, но только в той степени, в которой он может подтолкнуть спираль ДНК.
Сжимаясь, как пружина, эта «суперспираль» ДНК продолжает экспрессировать РНК, которая продолжает создавать сами белки, до тех пор, пока фермент не перестанет толкать. Только когда появится другой фермент, гираза, чтобы снять напряжение, производство может начаться заново.
«С развитием экспериментальных методов люди могут измерить, сколько РНК вы производите, поэтому было наивным ожиданием, что скорость производства будет более или менее постоянной», – сказал Коломейский, химик по названию, чья группа уже давно работает. интересуется, как биохимические реакции работают на биологические механизмы, и наоборот.
«Было удивительно, когда мы обнаружили, что на самом деле это не работает», – сказал он. "Производится много РНК, а затем наступает период молчания. РНК продуцируется очень быстро, но молекулярные детали отсутствуют."
Он сказал, что то, как РНК-полимераза выравнивается с двойной спиралью ДНК, скручивает ее в процессе. "Он вращается, накладывая механические ограничения на ДНК", – сказал Коломейский. "Пружина – отличный пример. Чем больше вы нажимаете на пружину, тем труднее ее толкать.
«Мы думаем, что РНК-полимераза скручивает ДНК, чтобы начать производство РНК», – сказал он. "В начале процесса вы получаете взрыв, но процесс замедляется, поскольку он сжимает пружину. Затем появляются извилины; они распутывают эту суперспираль, чтобы снова начать нормальное производство.«В то же время, он сказал, что извилины также снимают отрицательный стресс, создаваемый на другой стороне полимеразы.
«По сути, мы создали первую количественную энергетическую модель, которая объясняет этот всплеск», – сказал Коломейский. "Мы можем интерпретировать экспериментальные данные (собранные в экспериментах с бактериями) и обнаружили, что эта суперспираль существует."
Он сказал, что расчеты показывают, что «пружина» ДНК относительно слаба. «Это имеет биологическое значение, потому что это означает, что мы можем легче регулировать процесс, регулируя извилины», – сказал он.
Клиндзюк отметила, что в процессе есть много других игроков, которых в конечном итоге необходимо учитывать. «Мы могли бы добавить множество эффектов, таких как транскрипционные и другие эпигенетические факторы», – сказала она. "Мы хотим создать модель, в которой на ДНК присутствуют несколько полимераз.
В этой модели у нас была всего одна, но на самом деле полимераз много. Могут быть эффекты от трафика полимеразы, например, они сталкиваются друг с другом, останавливают и возобновляют свою деятельность."
«Это пример передовых экспериментов, которые привели нас к поиску значимого теоретического решения», – сказал Коломейский. «Обычно это происходит в обратном направлении, но на этот раз эксперименты смогли визуализировать процесс, и это заставило нас задуматься и начать его объяснять."