照亮隐藏基因的监管机构

基因转录是DNA复制的过程和合成信使核糖核酸(mRNA)——提供细胞的蛋白质合成器的基因蓝图。

现在麻省理工学院的研究人员和霍华德·休斯医学研究所(霍华德·休斯医学研究所的)发现了一个隐藏的,短暂的现象,细胞启动mRNA生产中可能发挥重要作用和调节基因的转录。

在在网上发表的一篇论文eLife》杂志上,研究者们报告他们使用一种新的超分辨率成像技术的发展,看到个人信使rna分子的基因在一个活细胞。使用同样的技术,他们观察到,就在mRNA的外表,酶RNA聚合酶II (Pol II)聚集在集群在同一基因短暂几秒前散射。

当研究者操纵了酶集群以这样一种方式,他们呆在一起的时间更长,他们发现这种基因产生相应的信使rna分子。集群的Pol II因此可能触发mRNA生产中发挥核心作用,控制基因转录。

易卜拉欣西塞,麻省理工学院的物理系助理教授解释说,因为他们的短暂性质,酶集群在很大程度上被视为一个谜,科学家们质疑这种聚类是有目的的或仅仅是巧合。他说,这些新结果表明,虽然短暂,但酶聚类可以在主要的生物过程产生重大影响。

“我们认为这些薄弱和瞬态集群是一个基本的单元来控制基因的表达,”西塞说,他是这篇论文的主要作者。“如果一个小的突变改变了集群的生命周期,还能改变基因表达的主要方式。这似乎是一个非常敏感的细胞可以调整旋钮。”

更重要的是,西塞说科学家现在可以探索波尔II集群目标“失速或诱导的转录”和控制特定基因的表达,探讨癌症药物和其他基因疗法。

第一作者论文的合作者包括Won-Ki曹和博士后在物理系;帕迪Jayanth和Jan-Henrik Spille也物理学博士后;佐藤井上和j·欧文安德鲁斯,物理学研究生;和威廉康威在物理学和生物学本科;以及霍华德·休斯医学研究所研究人员的Janelia研究校园:布莱恩英语,卢克Lavis,乔纳森•格林和Timothee Lionnet与西塞也是文章的第二作者。

在超分辨率成像

波尔II酶只聚集在一起很短的一段时间,在几秒钟的顺序。这些集群也非常小,在100纳米宽的规模。因为他们是那么小,那么短暂的,波尔II集群和其他弱和瞬态相互作用在很大程度上被隐藏,基本上看不到传统的成像技术。

看到这些交互,西塞和他的同事们开发了一种超分辨率成像技术在单分子水平细胞过程可视化。团队的技术建立在两个现有的超分辨率方法——光本地化显微镜(PALM)和随机光学显微镜(风暴)重建。这两种技术涉及到感兴趣的分子标记和照明他们一个接一个来确定每个分子在空间。科学家可以合并每个分子的位置创建一个细胞的超分辨率图像区域。

虽然非常精确,但这些成像技术依赖的假设每个分子仍然是静止的。分子,来来去去,并迅速集群和分散,难以追踪。赶上波尔II集群,西塞和他的团队调整现有的超分辨率成像技术,不只是看一个酶的地位,而且在分子检测的频率。检测的频率越高,集群已形成的几率就越高。

小组将他们的技术应用于图像细胞,用相机,记录一帧每50毫秒,持续运行10000帧。

一个短暂的一生

然后创建了一个细胞系,包括mRNA的明亮的荧光标记,以及不同颜色的荧光标记波尔II酶。团队应用其特定的基因在细胞图像的超分辨率技术,叫做beta-actin,它已经广泛的特点。与活细胞实验中,研究人员观察到,虽然先前转录基因mRNA分子点燃,新波尔II集群出现在相同的基因,在拆卸之前大约8秒。

从这些实验中,该组织是不确定对mRNA集群是否影响生产,因为从一开始所花费的时间的转录mRNA的完整生产花费的时间大大——大约2.5分钟。可以集群,出现了一小部分,对mRNA有任何影响吗?

要回答这个问题,刺激细胞化学鸡尾酒的团队,他们知道会影响基因转录和mRNA输出。在这些细胞中,他们发现,就在mRNA峰值出现之前,集群形成的基因实际上保持稳定,只要24秒——上涨了四倍,在集群的典型。更重要的是,mrna的数量增加了一个类似的量。

活细胞在207年重复实验后,研究小组发现,波尔二世的一生集群的数量直接关系到mRNA产生相同的基因。

西塞推测,也许波尔II基因转录的集群作为一个高效的动力,加快一个低效率的过程。

“是有道理的,你不想要一个有效的起始过程,因为你不想随意打开任何基因仅仅因为有一个随机碰撞,“西塞说。“但你也想有办法改变起始从低效到高效的过程,例如,当你想表达一个基因对一些环境刺激的反应。我们认为这些瞬态集群可能是细胞的方式可以使转录起始有效。”

接下来,西塞计划跟进他的波尔II集群的研究来确定是什么力量把他们在一起,以及他们是如何形成的,以及其他的分子因素是否集群具有类似效果。

“我怀疑有新的生物物理现象来自疲弱和瞬态交互,“西塞说。生物学中“这是一个未开发的区域,因为我们是如此难以捉摸的交互很少了解如何监管过程发生在一个活细胞。”