Die Forschung liefert neue Erkenntnisse über die Rolle mechanischer Kräfte bei der Genexpression

Das Genom in jeder unserer Zellen wird durch Spannung und Torsion modelliert – teilweise aufgrund der Aktivität von Proteinen, die DNA verdichten, schlingen, wickeln und entdrehen –, aber Wissenschaftler wissen wenig darüber, wie diese Kräfte die Transkription von Genen beeinflussen.

„Es sind ständig viele mechanische Kräfte im Spiel, die wir nie berücksichtigen, wir wissen nur sehr wenig darüber und sie werden in Lehrbüchern nicht erwähnt“, sagte Laura Finzi, Dr. Waenard L. Miller, Jr. ’69 und Sheila M. Miller Stiftungslehrstuhl für Medizinische Biophysik an der Clemson University.

Transkription ist der Prozess, bei dem eine Zelle eine RNA-Kopie eines DNA-Abschnitts erstellt. Eine Art von RNA, Boten-RNA (mRNA), kodiert Informationen zur Herstellung von Proteinen, die für die Struktur und Funktion von Zellen oder Geweben erforderlich sind.

RNA-Polymerase (RNAP) ist eine Art Protein, das mRNA produziert. Es verfolgt prozessiv die doppelhelikale DNA, entdreht sie, um die Basenpaarsequenz nur eines Strangs zu lesen, und synthetisiert eine passende mRNA. Eine solche „Transkription“ eines Gens beginnt, wenn RNAP an eine „Promotor“-DNA-Sequenz bindet, und endet an einer „Terminator“-Sequenz, wo die mRNA-Kopie freigesetzt wird. Die kanonische Sichtweise der Termination besagt, dass sich RNAP nach der Freisetzung der mRNA von der DNA dissoziiert.

Ein Forscherteam unter der Leitung von Finzi, zu dem auch David Dunlap, Forschungsprofessor am Clemson Department of Physics and Astronomy, gehörte, hat erstmals gezeigt, welche Rolle Kraft bei einer Alternative zur kanonischen Terminierung spielt. Ihre Forschung ist veröffentlicht im Tagebuch Naturkommunikation.

Mithilfe einer magnetischen Pinzette konnten die Forscher zeigen, dass die bakterielle RNA-Polymerase beim Erreichen eines Terminators auf der DNA-Matrize verbleiben und so gezogen werden kann, dass sie rückwärts zu derselben oder vorwärts zu einem benachbarten Promotor gleitet, um zu starten ein anschließender Transkriptionszyklus. Somit bestimmt die Kraftrichtung, ob ein DNA-Abschnitt mehrmals oder nur einmal transkribiert werden kann. Finzi und Dunlap berichten, dass dieser gewaltsam gesteuerte Recyclingmechanismus die relative Häufigkeit benachbarter Gene verändern kann.

Darüber hinaus fanden sie heraus, dass die Fähigkeit eines gleitenden RNAP erfordert, dass die C-terminale Domäne der Alpha-Untereinheit einen Promotor erkennt, der entgegengesetzt zur Gleitrichtung ausgerichtet ist. Diese Untereinheiten „ermöglichen es ihm, auf dem richtigen Weg zu bleiben, sich umzudrehen und den anderen Strang der DNA-Doppelhelix zu ergreifen, wo sich möglicherweise ein anderer Promotor befindet“, sagte sie. Da die Alpha-Untereinheiten entfernt wurden, kam es in der Tat nicht zu einem Umkippen zu entgegengesetzt ausgerichteten Promotoren.

Ein gründliches Verständnis der molekularen Mechanismen, die die Transkriptionsaktivität im Genom regulieren, könnte therapeutische Alternativen identifizieren, bei denen RNAP modifiziert werden könnte, um bestimmte Proteine ​​zu unterdrücken und Krankheiten vorzubeugen.

Finzi sagte, dass es möglicherweise Stellen im Genom gibt, an denen Recycling häufiger vorkommt als an anderen, aber das ist noch unbekannt.

„Meine Hoffnung ist, dass wir eines Tages eine räumlich-zeitliche Karte der Kräfte haben werden, die zu verschiedenen Zeitpunkten im Lebenszyklus verschiedener Zelltypen in unserem Organismus auf das Genom einwirken. Unsere Forschung beleuchtet die Wirkung von Kräften auf die Wahrscheinlichkeit einer wiederholten Transkription.“ „Könnte dann dabei helfen, die unterschiedlichen Transkriptionsniveaus verschiedener Gene vorherzusagen und in einer Art Wärmekarte darzustellen“, sagte Finzi.