突破性技术实时捕获基因表达的关键早期步骤

科学家们通过记录RNA聚合酶在何时何地通过与DNA序列结合启动转录，观察了早期RNA转录动力学。

　　

生命的活动是通过蛋白质的制造而发生的，蛋白质赋予我们的细胞结构和功能。细胞蛋白质从DNA编码的基因指令中获得行进顺序，他们的序列首先被复制并在一个叫做转录的多步骤过程中被制造成RNA。

科罗拉多州立大学的一个研究合作项目专门研究高分辨率荧光显微镜和计算模型，以实时、精细地可视化和描述这类生命过程，在单基因水平上。现在，由博士后研究员Linda Forero-Quintero领导的科学家们首次通过记录RNA聚合酶在何处、何时以及如何通过与DNA序列结合启动转录来观察早期RNA转录动力学。

这项突破性技术，详见《Nature Communications》杂志，有无数可能的拓展：包括加深对基本生物学过程的理解，揭示某些疾病的遗传基础。

“这是第一次有人研究单拷贝基因中的RNA聚合酶磷酸化动力学，”Forero说，他是蒙福特生物化学教授Tim Stasevich和副教授Brian Munsky的联合培养博士后研究员。“在过去，这种早期的转录活动只能通过基因阵列来观察，这是由数百个基因拷贝组成的人工结构，在细胞核中并不常见。”

Stasevich和Munsky领导了一项由W.M.Keck基金会和国家普通医学科学研究所资助的合作，旨在揭示和量化活的单细胞中的实时基因表达。在这两个实验室工作的Forero在合作的赞助下，以前研究过与神经疾病相关的细胞膜中的蛋白质和转运体。

早期转录活性

如《Nature Communications》中所述，Forero等人设计了一种方法，使用已建立的哺乳动物细胞系、工程荧光抗体片段和定制的超分辨率显微镜，以生动的颜色（蓝色、绿色和红色）捕捉早期转录过程。更具体地说，他们观察到当RNA聚合酶II（RNAP2）转录酶被磷酸化或被磷酸基团修饰时，转录周期的开始，Munsky说：“这里的跨学科科学是新的实验能力和单细胞动力学的机械计算模型的奇妙结合，两者在各自领域都非常新颖。”在实验室里，研究人员将他们的抗体片段加载到一个已建立的哺乳动物细胞系中，该细胞系含有一个报告基因，当被转录时，会被一个荧光标记的蛋白质点亮。Stasevich在几年前帮助开发的抗体片段，用荧光分子标记，照亮RNAP2尾部的特定靶点。将这些标记技术结合起来，研究人员可以区分转录周期中的三个不同步骤，并用不同的颜色标记。用该系统获得的图像转化为荧光强度波动。然后，研究人员利用这些信号来解释RNAP2磷酸化在整个转录周期中在单个拷贝基因上的时空组织将其转化为基于随机微分方程的计算模型。通过拟合这个统计模型来重现所有的实验结果，计算团队随后扩展了他们的分析，以收集有关不同分子及其转录过程中状态的新的机械和定量信息。

例如，他们估计了有多少单个RNA聚合酶分子聚集在DNA启动子区域形成短暂的簇，这些簇持续多久，以及聚合酶如何、何时、何地沿着DNA分布。例如，他们发现，每一次转录活动都会在基因的启动子区域产生一个由5到40个RNA聚合酶组成的簇，其中46%最终成功地转录了RNA。他们还发现，每一个RNA在释放前大约需要5分钟才能被完全转录和处理。

Forero说，这项技术具有深远的潜力，特别是与诸如CRISPR这样的新技术相结合，在这种技术中，特定的基因可以被挑选出来并加以操纵。选择某个感兴趣的基因，比如说与疾病有关的基因，并应用CSU研究人员对转录周期的实时读数，可以让研究人员在单个基因的活动水平上观察疾病过程，在一个基因中，基因是这项工作最令人兴奋的方面

原文检索：

Linda S. Forero-Quintero, William Raymond, Tetsuya Handa, Matthew N. Saxton, Tatsuya Morisaki, Hiroshi Kimura, Edouard Bertrand, Brian Munsky, Timothy J. Stasevich. Live-cell imaging reveals the spatiotemporal organization of endogenous RNA polymerase II phosphorylation at a single gene. Nature Communications, 2021; 12 (1) DOI: 10.1038/s41467-021-23417-0