每个活细胞都会将DNA转录为RNA。这个历程始于一种称为RNA聚合酶（RNAP）的酶夹住DNA。在几百毫秒内，DNA双螺旋解开，形成一个称为转录泡的节点，使一条裸露的DNA链可以被复制成一条互补的RNA链。
RNAP怎样完成这一壮举在很洪流平上尚不清晰。捕获到RNAP翻开转录泡的瞬间将提供富厚的信息，但由于该历程爆发得太快，目今手艺难以轻松捕获这些结构的可视化图像。现在，《自然结构与分子生物学》上的一项新研究形貌了大肠杆菌RNAP在翻开转录泡时的情景。
这些发明是在RNAP与DNA混淆后500毫秒内捕获到的，展现了转录的基本机制，并解答了关于起始机制及其各个办法主要性的恒久问题。“这是第一次有人能够实时捕获到瞬时转录复合物的形成历程，”第一作者、洛克菲勒大学Seth Darst实验室的研究专家Ruth Saecker说。“明确这一历程至关主要，由于它是基因表达的一个主要调控办法。”
亘古未有的视角
Darst是第一个形貌细菌RNAP结构的人，解开其更细腻的特征一直是他实验室的主要研究重点。虽然几十年的事情已经确定，RNAP与特定DNA序列的连系触发了一系列翻开转录泡的办法，但RNAP怎样疏散链并将一条链定位在其活性位点仍然保存热烈的争论。
图片信息：这是RNAP遇到DNA并启动转录历程时形成的开放复合物的首张图像之一
早期的研究批注，转录泡的翻开是一个要害的减速办法，决议了RNAP进入RNA合成的速率。厥后领域内的效果挑战了这一看法，多种理论浮现，关于这个限制办法的实质。“我们从其他生物手艺中知道，当RNAP首次遇到DNA时，会形成一系列高度调控的中心复合物，”该实验室的博士后研究员、配相助者Andreas Mueller说。“但这一历程可能在不到一秒内爆发，我们无法在云云短的时间标准上捕获到这些结构。”
为了更好地明确这些中心复合物，团队与纽约结构生物学中心的同事相助，他们开发了一种基于喷墨打印的机械人系统，可以快速准备生物样品举行冷冻电子显微镜剖析。通过这种相助，团队在RNAP与DNA相遇的前100到500毫秒内捕获到了复合物的形成，天生了四个差别中心复合物的图像，细节足以举行剖析。
首次，RNAP连系DNA初始阶段的结构转变和中心体的清晰图像浮现出来。“这项实验的手艺很是主要，”Saecker说。“没有快速混淆DNA和RNAP并实时捕获图像的能力，这些效果就不会保存。”
进入位置
通过检查这些图像，团队乐成勾勒出一系列事务，展示了RNAP在DNA链疏散时怎样与DNA链相互作用，抵达了前所未见的细节水平。当DNA解开时，RNAP逐渐捉住一条DNA链，以避免双螺旋重新连系。每次新的相互作用都会导致RNAP改变形状，从而形成更多的卵白质-DNA毗连。这包括推出阻止DNA进入RNAP活性位点的卵白质部分。一个稳固的转录泡就这样形成了。
团队提出，转录的限制办法可能是将DNA模板链定位到RNAP酶的活性位点中。这一步涉及战胜显著的能量障碍并重新排列几个组件。未来的研究将致力于确认这一新假设并探讨转录的其他办法。
“在这项研究中，我们只研究了最早期的办法，”Mueller说。“接下来，我们希望研究其他复合物、后期时间点和转录循环中的其他办法。”
除相识决关于怎样捕获DNA链的相互矛盾的理论外，这些效果还突显了新要领的价值，这种要领可以实时捕获毫秒内爆发的分子事务。这项手艺将使更多此类研究成为可能，资助科学家们可视化生物系统中的动态相互作用。
“若是我们想要明确生掷中最基本的历程之一，即所有细胞都在举行的历程，我们需要相识其希望和速率是怎样调控的，”Darst说。“一旦我们相识了这一点，我们就会对转录怎样最先有一个更清晰的熟悉。”
杂志：Nature Structural & Molecular Biology
DOI：10.1038/s41594-024-01349-9
