DNA 不只双股螺旋?超螺旋 DNA 转录维持稳定染色体结构

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基因转录是生成生物体所需蛋白质的关键过程,DNA 转录不仅受到酵素的化学作用催化,DNA 构造的物理特性也会影响转录进行。一旦 DNA 结构不稳定可能造成转录异常,甚至染色体异位的疾病后果。

当 DNA 要转录成 RNA 时,RNA 聚合酶(RNA polymerase, RNAP)会结合至单股 DNA 模板以合成 mRNA。过去研究认为 RNAP 数量越多,DNA 转录速度越快。

近期美国伊利诺大学香槟分校(University of Illinois Urbana-Champaign, UIUC)物理学团队研究,提出 DNA 转录程度不仅受到 RNAP 影响,另外转录因子(transcription factor)也会参与双股 DNA 结构松绑的过程,这些关键蛋白对于维持染色体结构,避免染色体异常造成遗传性疾病扮演重要角色。

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调控 DNA 转录 2 关键酵素:RNA 聚合酶、转录因子

由于 DNA 是双股螺旋构造,因此其执行转录作用的速度便受到结构松绑程度影响。这项研究透过物理模型模拟,指出双股螺旋 DNA 会进一步行成超螺旋结构,而影响 DNA 转录速度的 2 个关键蛋白,分别为 RNAP,以及基因转录因子。

过去研究认为 RNAP 数目越多,DNA 转录速度也会越快。此模型则进一步指出,随着 RNAP 数目增加,单一 RNAP 要执行转录作用的难度会增加,因为 RNAP 会召集 mRNA 单元与 DNA 模板结合,当整体质量增加会使得 DNA 的扭力变大。“如同同时要扭转多条橡皮筋的扭力,比扭转单条来的大”研究团队 Purba Chatterjee 博士解释道。

其次,转录因子也调节双股螺旋的结构特性。转录因子不仅会调控 RNAP 数量使 DNA 模板不至于过载,此外,当转录因子与 DNA 模板结合,会扮演像拧毛巾两端的结,维持 DNA 的超螺旋结构;解除结合则会松绑,使 RNAP 在模板上得以继续向前移动。

DNA 结构与转录作用示意图,图片来源:University of Illinois Urbana-Champaign

这项研究从生物物理学的角度,解释调控 DNA 转录结构的维系机制,对于维持染色体结构、甚至后续蛋白质转译的功能都有影响。染色体异位可能造成遗传性疾病,如急性骨髓性白血病,将来若能从上游 DNA 转录机制治疗是可能着手的预防方式。

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参考资料:
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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