首页 > 研讨会 > 当前研讨会

单分子法研究扭矩作用下的转录过程

报告简介

RNA聚合酶（RNA Polymerase）是一种重要的分子马达蛋白，负责行使转录功能（即将DNA上的遗传信息“抄写”到RNA上）。转录过程是基因表达和调控过程中的关键步骤。在转录过程中，RNA聚合酶沿着DNA上的螺旋沟槽前进，在其前方和后方分别产生（+）和（-）的DNA超螺旋（supercoils）。长久以来，人们对于DNA超螺旋如何影响转录过程和基因调控并不十分清楚。这里，我们在单分子层面上研究了扭矩作用下的转录过程。通过利用新颖的角控光镊（Angular optical trap）技术，我们可以直接观测到单个RNA聚合酶的运动以及其如何引入和克服（+）和（-）DNA超螺旋所带来的扭矩势垒。我们发现RNA聚合酶在一个特定的扭矩下停止转录，（即“停止扭矩”），其平均值为11 ± 4 pN•nm （i.e. ~10-20N•m），明显高于先前估计的低阈值（~5 pN•nm）。因此，RNA聚合酶是一个强的扭矩分子马达，其产生的扭矩足以改变DNA的拓扑结构甚至导致DNA的双链结构解链。当将DNA中的扭矩去掉后，约一半RNA聚合酶可以在90秒内重新恢复其转录过程。这表明，在细胞中，如果DNA上的扭矩在拓扑异构酶（topoisomerase）的帮助下或通过DNA旋转被释放掉，大部分RNA聚合酶仍可以在较短时间内恢复其转录活性。此外，当RNA聚合酶受到一个短时扭矩脉冲冲击时，即使该脉冲幅度大于先前所测得的“停止扭矩”，大多数RNA聚合酶还是能够在脉冲过后立即行使转录功能。这表明RNA聚合酶对于快速变化的扭矩并不敏感。最后，我们还测量了DNA上扭矩与转录速度的关系。一个与转录方向相反的扭矩会减慢转录的速度，同时增加RNA聚合酶“短时停顿” （pause）的发生频率和停顿时间。综上，这些结果为定量地了解DNA超螺旋如何进行基因调控提供了重要的实验基础。