DNA转录速度，由DNA超螺旋驱动的集体模式的函数

新的理论模型验证了实验发现

在理论与实验交集的物理学家团队正在为分子电机的“团队合作”（呼叫RNA聚合酶（RNAP）（RNAP））介绍介导DNA转录的新灯。在转录过程中，基因表达的第一步，RNAPS“读取” DNA序列和组装信使RNA（mRNA），这又用作生命所需的蛋白质的模板。

团队 - 成长的首席作家Purba Chatterjee，最近的伊利诺伊州物理18新利在线娱乐官网新利足球博士研究生，现在是宾夕法尼亚大学的博士后研究员；18新利在线娱乐官网新利足球伊利诺伊州物理名誉研究教授Nigel Goldenfeld，现在是加州大学圣地亚哥分校的总理杰出物理学教授；和伊利诺18新利在线娱乐官网新利足球伊州物理教授Sangjin Kim—introduces a new theoretical model elucidating how the mechanism of supercoiling in DNA underlies the collective dynamics of RNAPs that are concurrently translocating on the DNA for transcription. The RNAPs dynamics switch from cooperative to antagonistic mode, in response to the cell’s needs.

这些发现于2021年11月16日发表在“DNA超螺旋驱动基因合成的集体模式之间的过渡，在期刊上物理评论信。

在转录过程中，当将一部分螺旋的一部分解压缩为两条链时，将发生DNA超螺旋，这是在引入扭转应力时。The researchers’ work revealed for the first time two essential elements in modeling transcription under torsion: first, transcription factors that are well known to affect the rate at which RNAP initiate transcription can also control the propagation of DNA supercoils, and second, the number of RNAPs present affects the torsional stress experienced by individual RNAPs.

Goldenfeld explains, "Supercoiling is something familiar to anyone who has wrestled with a garden hose or, in times past, a telephone cord. Semi-rigid tubes or, in this case, helices are difficult to fold and they bend into localized tangles—loops that can look like figure eights or worse. Biology battles with the same geometrical issues at the DNA molecular level within living cells.”

一旦RNAP启动转录，它就会沿链易位，组装一个mRNA的互补链。募集了其他RNAP，每个RNAP沿着同一段的DNA启动mRNA合成。随后的RNAP启动的速率通常由转录因子控制，该蛋白质与RNAP启动转录位置的DNA位点结合。

Previous experimental and theoretical studies have predicted that the speed at which RNAPs translocate along the DNA during transcription increases with the number of RNAPs actively transcribing the same sequence, but in 2019,金，等。只要RNAP以高于一定阈值的速度启动转录，无论总数如何，RNAP易位的速度首次保持较高。令人惊讶的是，他们发现一旦关闭了启动子，RNAP的数量就会影响速度，即RNAPS停止启动转录时。在当前的工作中，该团队描述了超串联如何构成这些集体效果的基础。

科学家对生物系统进行了建模，其中多个RNAP正在转录相同的DNA段，RNAP易位速度受DNA SuperCroiling产生的扭矩。

Chatterjee解释说：“我们的模型介绍了两个重要因素，这些因素尚未考虑DNA超螺旋。首先，RNAP的数量很重要。RNAP越多，单个RNAP扭曲DNA的困难就越困难。这是因为每个RNAP的质量以及由每个RNAP合成的mRNA的质量增加了DNA对扭曲的电阻。这类似于现实生活中的观察结果，即厚，厚实的橡皮筋比薄而轻的橡皮筋更难扭曲。

“第二，启动子的转录因子的结合和解开也很重要。转录因子不仅可以通过阻止其进入DNA的位点来阻止RNAP的负载，而且作为笨重的分子，它们还可以防止DNA超级旋转的放松。想象一下，两端都拿着一个明确的橡皮筋。当您放开一端时，它立即突出以减轻压力。类似地，当转录因子解开连接时，在转录因子和最接近启动子扩散的最接近的RNAP之间受到约束的DNA超元，并且DNA段返回其宽松的状态。这种放松有助于其前进运动中最后一个加载的RNAP。”

有了这两个新颖的考虑，研究人员发现，由RNAP运动产生的DNA超螺旋可以推动RNAP组动力学的两种对比模式。当DNA段开始时的启动子序列“打开”时，合作动力学在有利于转录的条件下出现。在这种模式下，超串联扩散的力学有助于整个系统中更快的转录，因为每个RNAP有效地取消其最近的邻居DNA超级套，从而为每个RNAP提供了最佳的高速度。

Kim补充说：“值得注意的是，超涂线扩散的力学可以使所有RNAP密度的超级套子取消，因此只要RNAP密度超过一定阈值，就可以观察到合作动力学。”

Chatterjee解释说：“尽管与该基因上有许多RNAP相关的成本，但集体模式仍提高了转录速度。这取决于RNAP的连续加载，这意味着有一个有源启动子将RNAP加载到基因上不间断。当细胞想要制作尽可能多的转录本时，RNAP的连续加载发生。RNAP在易位过程中的合作有助于满足细胞的需求。”

A switch to antagonistic dynamics, on the other hand, slows translocation for all active RNAPs—now, the multiple RNAPs transcribing a gene together actually impair each other’s motion and transcription is soon shut down altogether.

Kim补充说：“尽管在合作模式下，邻居会导致更好地取消超级轿车，并有助于减少RNAP上的扭转压力，以便它可以以最佳的速度，在对抗模式下移动，而邻居使邻居却是毁灭性的。在这种集体模式下，多个RNAP的存在会导致更大的扭转应力和更大的速度降低。当关闭启动子（被转录因子阻止）时，这种拮抗模式发生在对信号的响应中，以停止制作转录本。”

Chatterjee sums up, “Our theoretical model supports Sangjin’s experimental observation and explains the finding from the physical perspective of DNA supercoiling.”

Goldenfeld adds, “Our modeling and Sangjin's ingenious experiments reveal how the molecular machines known as RNA polymerase essentially communicate and work cooperatively in the processes that ultimately lead to the manufacture of proteins. This exciting project would not have been possible without deep collaboration between theoretical modeling and experiment, and shows how collective phenomena, already well understood in statistical and condensed matter physics, also underpin the most fundamental aspects of biological gene expression."

Kim looks forward to continuing this line of research in the laboratory.

她说：“有许多令人兴奋的未来实验要做。”“我们想通过实验验证模型中引入的两个新型特征，通过可视化DNA超螺旋并直接测量抗DNA的扭矩。具体而言，我们希望通过阻断DNA超二线扩散来测试转录因子对转录效率的影响，并测量多个RNAP的存在对单个RNAP所经历的恢复扭矩的影响。”

这项工作得到了国家科学基金会，美国国立卫生研究院，塞尔学者计划和伊利诺伊大学Urbana-Champaign物理系的Drickamer Research研究金的支持。得出的结论是研究人员的结论，而不一定是资助机构的结论。

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