DNA 不只雙股螺旋?超螺旋 DNA 轉錄維持穩定染色體結構

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基因轉錄是生成生物體所需蛋白質的關鍵過程,DNA 轉錄不僅受到酵素的化學作用催化,DNA 構造的物理特性也會影響轉錄進行。一旦 DNA 結構不穩定可能造成轉錄異常,甚至染色體異位的疾病後果。

當 DNA 要轉錄成 RNA 時,RNA 聚合酶(RNA polymerase, RNAP)會結合至單股 DNA 模板以合成 mRNA。過去研究認為 RNAP 數量越多,DNA 轉錄速度越快。

近期美國伊利諾大學香檳分校(University of Illinois Urbana-Champaign, UIUC)物理學團隊研究,提出 DNA 轉錄程度不僅受到 RNAP 影響,另外轉錄因子(transcription factor)也會參與雙股 DNA 結構鬆綁的過程,這些關鍵蛋白對於維持染色體結構,避免染色體異常造成遺傳性疾病扮演重要角色。

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調控 DNA 轉錄 2 關鍵酵素:RNA 聚合酶、轉錄因子

由於 DNA 是雙股螺旋構造,因此其執行轉錄作用的速度便受到結構鬆綁程度影響。這項研究透過物理模型模擬,指出雙股螺旋 DNA 會進一步行成超螺旋結構,而影響 DNA 轉錄速度的 2 個關鍵蛋白,分別為 RNAP,以及基因轉錄因子。

過去研究認為 RNAP 數目越多,DNA 轉錄速度也會越快。此模型則進一步指出,隨著 RNAP 數目增加,單一 RNAP 要執行轉錄作用的難度會增加,因為 RNAP 會召集 mRNA 單元與 DNA 模板結合,當整體質量增加會使得 DNA 的扭力變大。「如同同時要扭轉多條橡皮筋的扭力,比扭轉單條來的大」研究團隊 Purba Chatterjee 博士解釋道。

其次,轉錄因子也調節雙股螺旋的結構特性。轉錄因子不僅會調控 RNAP 數量使 DNA 模板不至於過載,此外,當轉錄因子與 DNA 模板結合,會扮演像擰毛巾兩端的結,維持 DNA 的超螺旋結構;解除結合則會鬆綁,使 RNAP 在模板上得以繼續向前移動。

DNA 結構與轉錄作用示意圖,圖片來源:University of Illinois Urbana-Champaign

這項研究從生物物理學的角度,解釋調控 DNA 轉錄結構的維繫機制,對於維持染色體結構、甚至後續蛋白質轉譯的功能都有影響。染色體異位可能造成遺傳性疾病,如急性骨髓性白血病,將來若能從上游 DNA 轉錄機制治療是可能著手的預防方式。

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參考資料:
1. https://physics.illinois.edu/news/43645
2. Physical Review Letters, 2021; https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.218101

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