細(xì)菌轉(zhuǎn)錄爆發(fā)現(xiàn)象分子機(jī)制被揭示：

最近，哈佛大學(xué)化學(xué)與生物化學(xué)系的謝曉亮實(shí)驗(yàn)室與北京國(guó)際數(shù)學(xué)研究中心的葛顥研究員合作，揭示了細(xì)菌內(nèi)轉(zhuǎn)錄隨機(jī)爆發(fā)現(xiàn)象（Transcriptionalbursting）的分子機(jī)制，這種隨機(jī)性是很多細(xì)胞和組織中細(xì)胞與細(xì)胞間基因表達(dá)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(xì)胞》雜志上，并得到了該雜志的同期評(píng)述。

從大概十年前開(kāi)始，研究人員在不同的細(xì)胞中都發(fā)現(xiàn)了一個(gè)普遍的現(xiàn)象，即很多基因的轉(zhuǎn)錄都是以隨機(jī)爆發(fā)的形式進(jìn)行著的，轉(zhuǎn)錄的活躍程度會(huì)在十分活躍和很不活躍之間來(lái)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(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄抑制的機(jī)制之后，所觀察到的基因轉(zhuǎn)錄依然是隨機(jī)爆發(fā)形式的，而其機(jī)制并未得到很好的解釋。

2011年初，哈佛大學(xué)謝曉亮實(shí)驗(yàn)室和莊小威實(shí)驗(yàn)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(xì)菌中，DNA分子也不是自由的，它們會(huì)被分成一段一段的錨定在一些大的蛋白質(zhì)分子上。同時(shí)早在上世紀(jì)八十年代，人們就發(fā)現(xiàn)在DNA轉(zhuǎn)錄的過(guò)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(lái)講就是DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)原本是每10.5個(gè)堿基對(duì)轉(zhuǎn)一圈（360度）的，而現(xiàn)在被轉(zhuǎn)的越來(lái)越緊，每轉(zhuǎn)一圈的堿基對(duì)數(shù)目越來(lái)越少，DNA形變?cè)絹?lái)越厲害了；與此相對(duì)應(yīng)的，處于RNA聚合酶后方的DNA鏈將產(chǎn)生負(fù)超螺旋（negativesupercoiling），即完成一圈的堿基對(duì)數(shù)目越來(lái)越多。這兩種DNA形變將由于DNA被錨定在一些大分子上而無(wú)法相互抵消。因此細(xì)胞內(nèi)需要有兩種酶，旋轉(zhuǎn)酶（TopoisomeraseIA）專門負(fù)責(zé)在RNA聚合酶的后方釋放負(fù)超螺旋，而旋轉(zhuǎn)酶（gyrase）則專門負(fù)責(zé)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(xì)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(gè)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(shí)時(shí)的觀測(cè)到單個(gè)分子上正在發(fā)生的轉(zhuǎn)錄過(guò)程。通過(guò)這一技術(shù)，研究人員發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)錄過(guò)程在RNA聚合酶前段不斷聚集起來(lái)的正超螺旋，會(huì)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(xué)`教育網(wǎng)搜集整理。

同時(shí)，研究人員還利用單細(xì)胞mRNA技術(shù)熒光原位雜交（FISH）技術(shù)測(cè)到的活細(xì)胞體內(nèi)mRNA分子個(gè)數(shù)的分布，并結(jié)合DNA轉(zhuǎn)錄過(guò)程的兩狀態(tài)數(shù)學(xué)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(shí)間的比值。研究人員發(fā)現(xiàn)，該比值依賴于細(xì)胞內(nèi)的旋轉(zhuǎn)酶濃度，而且當(dāng)在細(xì)胞內(nèi)的質(zhì)粒的轉(zhuǎn)錄下游人為添加一個(gè)旋轉(zhuǎn)酶的強(qiáng)結(jié)合位點(diǎn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)DNA轉(zhuǎn)錄處于活躍和不活躍的平均時(shí)間的比值是最高的。

綜合以上的實(shí)驗(yàn)和理論，該研究表明，細(xì)菌里的轉(zhuǎn)錄爆發(fā)機(jī)制，就是來(lái)源于旋轉(zhuǎn)酶分子與DNA分子的不斷隨機(jī)結(jié)合與解離，從而導(dǎo)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(shí)任北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物動(dòng)態(tài)光學(xué)成像中心研究員。