去年報道的視頻很模糊，只有幾秒鐘，但看到它的科學家們驚嘆不已。他們第一次見證了一個早期步驟的細節(jié) - 一個看不見的，只是巧妙地推斷 - 在生物學的一個中心事件：打開一個基因的行為。那些藍色和綠色斑點是DNA的兩個關鍵位，稱為增強子和啟動子(標記為發(fā)熒光)。當他們觸摸時，一個基因通電，正如紅色爆發(fā)所揭示的那樣。

這件事非常重要。我們體內(nèi)的所有細胞基本上都包含大約20,000個不同的基因，這些基因編碼在數(shù)十億個構(gòu)建基塊(核苷酸)中，這些基因組在長鏈DNA中串聯(lián)在一起。通過喚醒不同組合和不同時間的基因子集，細胞具有特殊的身份，并構(gòu)建驚人的不同組織：心臟，腎臟，骨骼，大腦。然而直到最近，研究人員還沒有辦法直接看到基因激活過程中發(fā)生了什么。

他們早就知道這個過程的大致輪廓，稱為轉(zhuǎn)錄。恰當?shù)胤Q為轉(zhuǎn)錄因子的蛋白質(zhì)與基因中的位置 - 啟動子 - 以及更遠的DNA點(增強子)結(jié)合。這兩種結(jié)合使得一種叫做RNA聚合酶的酶能夠在基因上產(chǎn)生并復制它。

該拷貝被稍微處理，然后作為信使RNA(mRNA)進入細胞質(zhì)。在那里，細胞機器使用mRNA指令來創(chuàng)建具有特定工作的蛋白質(zhì)：例如，催化代謝反應，或感測來自細胞外的化學信號。

這本教科書的內(nèi)容是正確的，但它提出了許多問題：什么告訴給定的基因打開或關閉?轉(zhuǎn)錄因子如何找到合適的結(jié)合位點?一個基因如何知道m(xù)RNA的含量是多少?增強劑如何影響基因活動，因為它們可能是基因本身的一百萬個DNA構(gòu)建塊?

幾十年來，科學家們只能使用直接和間接的工具來探究這些問題。關于DNA，RNA和蛋白質(zhì)的想法來自研磨細胞和分離組分。然后，在20世紀80年代，科學家開始使用一種稱為FISH(熒光原位雜交的簡稱)的改變游戲規(guī)則的技術(shù)直接在細胞中觀察DNA和RNA。其他方法 - 顯微鏡具有更好的分辨率，新的方式來標記(并因此跟蹤)這個分子交響樂中的玩家。研究人員可以詳細解析轉(zhuǎn)錄。

霍華德休斯醫(yī)學研究所位于弗吉尼亞州的Janelia研究園區(qū)的分子生物學家劉哲說，之前，就像是通過觀看管弦樂隊的靜態(tài)圖片來試聽交響樂。“你永遠不會弄清楚他們在玩什么，”他說。“你永遠無法體會到交響樂是多么美麗。”

以下是分子生物學家通過窺探這一關鍵的納米過程 - 在生命細胞中實時越來越多地實驗 - 來了解分子生物學家正在學習的東西。

轉(zhuǎn)錄因子的生命和時間

雖然科學家們早就知道轉(zhuǎn)錄因子決定了一個基因是否能夠啟動，但是這些蛋白質(zhì)如何通過細胞核中可笑的擁擠空間來尋找它們的結(jié)合位點是神秘的。

考慮到，解開，人類細胞中的DNA將長達一米或兩米。核心的直徑約為5到10微米，因此我們基因組的包裝類似于填充一根繩子，可以在雞蛋周圍繞地球包裹10次，劉說。

研究人員剛剛開始研究這種卷曲和循環(huán)如何影響基因轉(zhuǎn)錄。一方面，他們懷疑它可以幫助解釋增強劑如何能夠從遠距離影響基因的活動 - 因為當遺傳物質(zhì)被捆綁起來時，DNA延伸的遠處可能會更接近。

如果轉(zhuǎn)錄因素知道它們的進展情況似乎是不可思議的，那么它們中的大部分都不會。通過隨著時間的推移在單個細胞中追蹤這些蛋白質(zhì)，研究人員發(fā)現(xiàn)，他們的生命中有97%的時間都在搖擺不定，從他們遇到的任何DNA中蹦出來，直到他們幸運。(一些類型可能充當領導者，掃描基因組，鎖定目標并為更大的包裝設置正確的條件。)

人們可以想象，至少，當一個轉(zhuǎn)錄因子最終找到它的結(jié)合位點時，它可能會停滯不前并且可以工作幾個小時?？茖W家過去常常相信死亡，保存的細胞。

但對活細胞的研究表明，這遠非如此。Liu的實驗室和其他人在過去五年中已經(jīng)證明轉(zhuǎn)錄因子只能在幾秒鐘內(nèi)結(jié)合，并且它們的高濃度聚集在結(jié)合位點附近，幫助彼此凝聚。“令人難以置信的是轉(zhuǎn)錄因子實際上是如何起作用的，”劉說。

其中有很多：哺乳動物中高達10%的基因帶有制作不同口味的基因的說明。最近的證據(jù)表明，這為細胞提供了巨大的精確度。對于任何給定的基因，轉(zhuǎn)錄因子的不同組合可以增加或夯實過程，可能使系統(tǒng)精確可調(diào)。

聯(lián)系聚合酶派對

如果轉(zhuǎn)錄因子是油門踏板和制動器，則發(fā)動機是RNA聚合酶。在基本模型中，RNA聚合酶將基因的兩條鏈拉開，然后將它們中的一條切下來制作它的mRNA拷貝。事實證明事情是一件更復雜的事情。

對搗碎和保存細胞的研究表明，許多聚合酶分子聚集在一起，使這種mRNA神奇發(fā)生。但是沒有人見過活細胞中的這種叢，所以沒有人知道如何或何時 - 或者甚至 - 是否形成了團塊。通過將熒光化學標簽附著在活細胞中的RNA聚合酶上，研究人員將多個聚合酶重復組合在一起約5秒鐘- 然后散射。

去年，同一個科學家團隊發(fā)現(xiàn)其他蛋白質(zhì)的聚集，因為他們聚集在一起幫助RNA聚合酶發(fā)揮作用。這些被稱為介體蛋白質(zhì)的野獸形成了數(shù)百個巨型簇，這些簇聚集在DNA上的RNA聚合酶上。

這兩個小嘎嘎似乎集中在不同的水滴中，就像水中的油滴一樣。然后他們?nèi)诤?，或許創(chuàng)造了一種自組裝，封鎖的轉(zhuǎn)錄磨。從中吸取教訓?“除了生物化學之外，所有這些物理現(xiàn)象都可能在告訴我們?nèi)绾伍_啟基因方面發(fā)揮作用，”負責這項工作的麻省理工學院的生物物理學家IbrahimCissé說。

信使RNA是適合和開始的

幾十年來，研究人員認為，當一個基因處于活躍狀態(tài)時，轉(zhuǎn)錄只會進入“開啟”模式并以穩(wěn)定的方式曲解mRNA。但是，一種名為MS2標記的突破性技術(shù)，最初于1998年開發(fā)并仍然被廣泛使用，從根本上改變了這種觀點。

由紐約阿爾伯特愛因斯坦醫(yī)學院的細胞生物學家和顯微鏡學家羅伯特辛格及其同事發(fā)明，MS2標記使得科學家們第一次能夠看到活細胞中的mRNA。(該方法的主要成分來自一種名為MS2的病毒 - 因此該技術(shù)的名稱。)

簡而言之，科學家使用工程技巧，以便由特定基因制成的mRNA具有獨特的結(jié)構(gòu)，稱為莖環(huán)。通過第二個技巧，這些莖環(huán)位置被發(fā)光熒光，因此研究人員可以在制作時以及在顯微鏡和實時顯示的任何地方，從他們選擇的基因中“看到”mRNA。

辛格在生物物理學年度評論中共同撰寫了2018年關于mRNA成像的文章，他使用MS2標記與他的同事們一起表明，基因mRNA的產(chǎn)生率在25分鐘左右內(nèi)波動很大。事實證明，這些爆發(fā)的大小變化不大，但它們的頻率確實如此，而這就決定了基因如何能夠泵出其mRNA產(chǎn)物。增加或減少這種轉(zhuǎn)錄“爆發(fā)”的速率可以使系統(tǒng)增加或減慢基因的活性以滿足細胞的需要。

研究人員認為，轉(zhuǎn)錄因子的開關動力學，即它們在結(jié)合位點上下彈出的速率，以某種方式調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄突變。但他們還不知道如何。

徒步走向翻譯

制造mRNA只是基因支撐它的第一步。接下來翻譯該mRNA中的指令以制造蛋白質(zhì)。為了實現(xiàn)這一點，mRNA必須從核中移出并進入蛋白質(zhì)制造工廠所在的細胞質(zhì)。

科學家們認為，細胞的分子機器將mRNA小心地運送到細胞核膜上，然后將其泵入細胞質(zhì)。使用相同的MS2方法，辛格的實驗室發(fā)現(xiàn)并非如此。相反，mRNA會反彈- “像一群憤怒的蜜蜂一樣在核中嗡嗡作響”，正如辛格所說的那樣 - 直到它們碰巧碰到核膜上的毛孔。只有這樣，細胞的機器才會抬起一根手指并主動穿過這個門。

最近，辛格及其同事創(chuàng)造了突變小鼠，使他們能夠觀察到mRNA穿梭于神經(jīng)細胞的微妙樹突中，這些樹枝是從其他神經(jīng)接收信號的結(jié)構(gòu)。該團隊甚至不得不監(jiān)視行動中的記憶。他們追蹤的mRNA帶有制作蛋白質(zhì)-β-肌動蛋白的指令，這種蛋白質(zhì)在神經(jīng)細胞中很豐富，并被認為有助于在大腦中記憶時加強聯(lián)系。在一個看起來像夜間道路網(wǎng)絡的視頻中，在神經(jīng)細胞被激活后的10分鐘內(nèi)，mRNA被巡航到與其他神經(jīng)接觸的點，準備好肌動蛋白生成以支撐這些神經(jīng) - 神經(jīng)連接。

科學家們認為，細胞的分子機器將mRNA小心地運送到細胞核膜上，然后將其泵入細胞質(zhì)。使用相同的MS2方法，辛格的實驗室發(fā)現(xiàn)并非如此。相反，mRNA會反彈- “像一群憤怒的蜜蜂一樣在核中嗡嗡作響”，正如辛格所說的那樣 - 直到它們碰巧碰到核膜上的毛孔。只有這樣，細胞的機器才會抬起一根手指并主動穿過這個門。

信使RNA是適合和開始的

幾十年來，研究人員認為，當一個基因處于活躍狀態(tài)時，轉(zhuǎn)錄只會進入“開啟”模式并以穩(wěn)定的方式曲解mRNA。但是，一種名為MS2標記的突破性技術(shù)，最初于1998年開發(fā)并仍然被廣泛使用，從根本上改變了這種觀點。

由紐約阿爾伯特愛因斯坦醫(yī)學院的細胞生物學家和顯微鏡學家羅伯特辛格及其同事發(fā)明，MS2標記使得科學家們第一次能夠看到活細胞中的mRNA。(該方法的主要成分來自一種名為MS2的病毒 - 因此該技術(shù)的名稱。)

簡而言之，科學家使用工程技巧，以便由特定基因制成的mRNA具有獨特的結(jié)構(gòu)，稱為莖環(huán)。通過第二個技巧，這些莖環(huán)位置被發(fā)光熒光，因此研究人員可以在制作時以及在顯微鏡和實時顯示的任何地方，從他們選擇的基因中“看到”mRNA。

辛格在生物物理學年度評論中共同撰寫了2018年關于mRNA成像的文章，他使用MS2標記與他的同事們一起表明，基因mRNA的產(chǎn)生率在25分鐘左右內(nèi)波動很大。事實證明，這些爆發(fā)的大小變化不大，但它們的頻率確實如此，而這就決定了基因如何能夠泵出其mRNA產(chǎn)物。增加或減少這種轉(zhuǎn)錄“爆發(fā)”的速率可以使系統(tǒng)增加或減慢基因的活性以滿足細胞的需要。

研究人員認為，轉(zhuǎn)錄因子的開關動力學，即它們在結(jié)合位點上下彈出的速率，以某種方式調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄突變。但他們還不知道如何。

徒步走向翻譯

制造mRNA只是基因支撐它的第一步。接下來翻譯該mRNA中的指令以制造蛋白質(zhì)。為了實現(xiàn)這一點，mRNA必須從核中移出并進入蛋白質(zhì)制造工廠所在的細胞質(zhì)。

科學家們認為，細胞的分子機器將mRNA小心地運送到細胞核膜上，然后將其泵入細胞質(zhì)。使用相同的MS2方法，辛格的實驗室發(fā)現(xiàn)并非如此。相反，mRNA會反彈- “像一群憤怒的蜜蜂一樣在核中嗡嗡作響”，正如辛格所說的那樣 - 直到它們碰巧碰到核膜上的毛孔。只有這樣，細胞的機器才會抬起一根手指并主動穿過這個門。

如果轉(zhuǎn)錄因素知道它們的進展情況似乎是不可思議的，那么它們中的大部分都不會。通過隨著時間的推移在單個細胞中追蹤這些蛋白質(zhì)，研究人員發(fā)現(xiàn)，他們的生命中有97%的時間都在搖擺不定，從他們遇到的任何DNA中蹦出來，直到他們幸運。(一些類型可能充當領導者，掃描基因組，鎖定目標并為更大的包裝設置正確的條件。)

霍華德休斯醫(yī)學研究所位于弗吉尼亞州的Janelia研究園區(qū)的分子生物學家劉哲說，之前，就像是通過觀看管弦樂隊的靜態(tài)圖片來試聽交響樂。“你永遠不會弄清楚他們在玩什么，”他說。“你永遠無法體會到交響樂是多么美麗。”

以下是分子生物學家通過窺探這一關鍵的納米過程 - 在生命細胞中實時越來越多地實驗 - 來了解分子生物學家正在學習的東西。

轉(zhuǎn)錄因子的生命和時間

雖然科學家們早就知道轉(zhuǎn)錄因子決定了一個基因是否能夠啟動，但是這些蛋白質(zhì)如何通過細胞核中可笑的擁擠空間來尋找它們的結(jié)合位點是神秘的。

考慮到，解開，人類細胞中的DNA將長達一米或兩米。核心的直徑約為5到10微米，因此我們基因組的包裝類似于填充一根繩子，可以在雞蛋周圍繞地球包裹10次，劉說。

研究人員剛剛開始研究這種卷曲和循環(huán)如何影響基因轉(zhuǎn)錄。一方面，他們懷疑它可以幫助解釋增強劑如何能夠從遠距離影響基因的活動 - 因為當遺傳物質(zhì)被捆綁起來時，DNA延伸的遠處可能會更接近。

如果轉(zhuǎn)錄因素知道它們的進展情況似乎是不可思議的，那么它們中的大部分都不會。通過隨著時間的推移在單個細胞中追蹤這些蛋白質(zhì)，研究人員發(fā)現(xiàn)，他們的生命中有97%的時間都在搖擺不定，從他們遇到的任何DNA中蹦出來，直到他們幸運。(一些類型可能充當領導者，掃描基因組，鎖定目標并為更大的包裝設置正確的條件。)

關于基因活動的大量細節(jié)仍然是神秘的，但已經(jīng)清楚的是，這個過程比以前假設的更加動態(tài)。“這種變化是驚人的，并且正在迅速加速，”辛格說。“通過觀看，有很多信息可以收集。”