增強子在基因活動爆發(fā)中的作用
普林斯頓大學研究人員的一項新研究表明,零星的基因活動爆發(fā)可能是遺傳調控的重要特征,而不僅僅是偶然的災難。研究人員發(fā)現(xiàn),稱為增強子的DNA片段可以提高爆發(fā)的頻率,表明這些爆發(fā)在基因控制中發(fā)揮作用。
研究人員分析了經歷DNA轉錄的果蠅飛胚胎的視頻,這是激活基因以制造蛋白質的第一步。在7月14日發(fā)表在Cell雜志上的一項研究中,研究人員發(fā)現(xiàn),將增強子放置在相對于其靶基因的不同位置會導致突發(fā)頻率發(fā)生顯著變化。
普林斯頓大學的Anthony B. Evnin '62基因組學教授兼Lewis-Sigler綜合基因組學研究所所長Michael Levine說:“轉錄突發(fā)的重要性是有爭議的。” “雖然我們的研究并未證明所有基因都經歷了轉錄爆發(fā),但我們確實發(fā)現(xiàn)我們所看到的每個基因都顯示出爆發(fā),這些是確定胚胎將要變成什么的關鍵基因。如果我們看到爆發(fā),那么我們將在其他地方看到這種可能性。“
當稱為RNA聚合酶的酶將DNA編碼轉換成相應的RNA編碼時,DNA的轉錄就會發(fā)生,后者會被轉化為蛋白質。大約十年前,研究人員很困惑地發(fā)現(xiàn)轉錄可能是零星的,可變的而不是平滑和連續(xù)的。
在目前的研究中,博士后研究員Takashi Fukaya和博士后研究員Bomyi Lim都與Levine合作,探討了增強子在轉錄突發(fā)中的作用。增強子被DNA結合蛋白識別以增強或降低轉錄率,但確切的機制卻知之甚少。
直到最近,由于光學顯微鏡的靈敏度和分辨率的限制,在活胚胎中可視化轉錄是不可能的。三年前開發(fā)的一種新方法現(xiàn)在已經成為可能。該技術由兩個獨立的研究小組開發(fā),一個在普林斯頓大學,由物理學副教授托馬斯·格雷戈爾和劉易斯 - 西格勒綜合基因組學研究所領導,另一個由巴黎居里研究所的Nathalie Dostatni領導,由熒光標記放置在RNA分子上使它們在顯微鏡下可見。
研究人員利用這種活體成像技術研究了胚胎發(fā)育過程中關鍵階段的飛行胚胎,大約在胚胎生命發(fā)生后兩小時,其中基因經歷快速和激烈的轉錄約一小時。在此期間,研究人員觀察到爆發(fā)的顯著增加,其中RNA聚合酶在每次爆發(fā)大約4或5分鐘的時間內每10或15秒發(fā)出一個新轉錄的RNA片段。然后這些基因放松了幾分鐘,接著是另一次爆發(fā)。
然后,研究小組研究了增強子的位置 - 基因上游或下游 - 是否影響了爆發(fā)的數量。在兩個不同的實驗中,F(xiàn)ukaya將增強子置于基因啟動子的上游或基因的下游,并發(fā)現(xiàn)不同的增強子位置導致不同的反應。當研究人員將增強子定位在基因的下游時,他們觀察到周期性的轉錄突發(fā)。然而,當他們將增強子定位在基因的上游時,研究人員看到了一些波動但沒有離散的爆發(fā)。他們發(fā)現(xiàn)增強劑離啟動子越近,爆發(fā)越頻繁。
為了確認他們的觀察結果,Lim應用了進一步的數據分析方法來計算他們在視頻中看到的爆發(fā)量。研究小組發(fā)現(xiàn),爆發(fā)的頻率與增強子在上調基因表達方面的強度有關。強增強劑比弱增強劑產生更多的爆發(fā)。該團隊還表明,插入稱為絕緣體的DNA片段可減少爆發(fā)次數并抑制基因表達。
在第二系列實驗中,F(xiàn)ukaya顯示單個增強子可以同時激活基因組上相隔一定距離的兩個基因并具有單獨的啟動子。最初認為這樣的增強器會促進一次啟動一個啟動器 - 也就是說,它會到達啟動器,徘徊,產生爆發(fā),然后脫落。然后,它將隨機選擇兩個基因中的一個進行另一輪爆發(fā)。然而,反而觀察到的是兩個基因同時發(fā)生的爆發(fā)。
“我們對這一結果感到驚訝,”萊文說。“回到繪圖板!這意味著增強子 - 啟動子循環(huán)相互作用的傳統(tǒng)模型不太正確,”Levine說。“由于染色體環(huán)的形成,發(fā)起人可能會轉向增強子。這是未來探索的下一個領域。”
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