研究人员捕捉到前所未有的基因转录观点

每个活细胞都将DNA转录成RNA。当一种名为RNA聚合酶（RNAP）的酶夹紧DNA时，这一过程就开始了。在几百毫秒内，DNA双螺旋展开，形成一个称为转录泡的节点，这样一条暴露的DNA链就可以复制成互补的RNA链

RNAP是如何完成这一壮举的，在很大程度上是未知的。RNAP在打开泡沫的过程中的快照将提供丰富的信息，但这一过程发生得太快，目前的技术无法轻松捕捉这些结构的可视化

现在，发表在《自然结构与分子生物学》上的一项新研究描述了大肠杆菌RNAP打开转录气泡的行为

这些发现是在RNAP与DNA混合的500毫秒内捕捉到的，揭示了转录的基本机制，并回答了关于启动机制及其各个步骤的重要性的长期问题

“这是第一次有人能够实时捕捉瞬时转录复合物的形成，”第一作者Ruth Saecker说，她是洛克菲勒Seth Darst实验室的研究专家。“理解这一过程至关重要，因为它是基因表达的一个主要调控步骤。”

Darst是第一个描述细菌RNAP结构的人，找出其细节仍然是他的实验室的主要关注点。尽管几十年的工作已经确定，RNAP与特定DNA序列的结合会触发一系列打开泡沫的步骤，但RNAP如何分离链并将一条链定位在其活性位点仍存在激烈争论

该领域的早期工作表明，气泡的打开是这一过程的关键放缓，决定了RNAP进入RNA合成的速度。该领域后来的结果对这一观点提出了质疑，关于这一限速步骤的性质出现了多种理论

“我们从其他生物技术中知道，当RNAP第一次遇到DNA时，它会产生一堆高度调控的中间复合物，”合著者、实验室博士后Andreas Mueller说

通过这种合作关系，该团队捕捉到了在RNAP与DNA相遇的前100到500毫秒内形成的复合物，产生了四种不同中间复合物的足够详细的图像，以便进行分析

首次清晰地显示了RNA聚合酶与DNA结合初期形成的结构变化和中间体。“这项技术对这个实验非常重要，”Saecker说。“如果没有快速混合DNA和RNAP并实时捕捉其图像的能力，这些结果就不存在。”

在检查这些图像后，该团队成功地勾勒出了一系列事件，显示了RNAP如何在DNA链分离时与DNA链相互作用，这是以前看不到的细节。当DNA解开时，RNAP逐渐抓住其中一条DNA链，以防止双螺旋重新结合在一起

每一种新的相互作用都会导致RNAP改变形状，从而形成更多的蛋白质-DNA连接。这包括推出阻止DNA进入RNAP活性位点的蛋白质的一部分。这样就形成了一个稳定的转录泡

该团队提出，转录中的限速步骤可能是将DNA模板链定位在RNAP酶的活性位点内。这一步骤包括克服重大的能源障碍并重新安排几个组件。未来的研究将旨在证实这一新假设，并探索转录的其他步骤

穆勒说：“我们只研究了这项研究中最早的步骤。”。“接下来，我们希望研究其他复合物、稍后的时间点和转录周期中的其他步骤。”

除了解决关于如何捕获DNA链的相互矛盾的理论外，这些结果还突出了新方法的价值，它可以实时捕获几毫秒内发生的分子事件。这项技术将使更多的此类研究成为可能，帮助科学家可视化生物系统中的动态相互作用