Исследователи проанализировали видео, на которых эмбрионы мух дрозофилы подвергаются транскрипции ДНК, что является первым шагом в активации генов для производства белков. В исследовании, опубликованном в журнале Cell 14 июля, исследователи обнаружили, что размещение энхансеров в разных положениях относительно их генов-мишеней привело к резким изменениям в частоте всплесков.«Важность транскрипционных всплесков спорна», — сказал Майкл Левин, профессор геномики Энтони Б. Эвнина из Принстона и директор Института интегративной геномики Льюиса-Сиглера. «Хотя наше исследование не доказывает, что все гены претерпевают транскрипционный разрыв, мы обнаружили, что каждый ген, на который мы смотрели, демонстрировал разрыв, и это критические гены, которые определяют, каким будет эмбрион. Если мы увидим разрыв здесь, есть вероятность, что мы увидим его где-нибудь еще ".
Транскрипция ДНК происходит, когда фермент, известный как РНК-полимераза, преобразует код ДНК в соответствующий код РНК, который позже транслируется в белок. Около десяти лет назад исследователи были озадачены, обнаружив, что транскрипция может быть спорадической и изменчивой, а не плавной и непрерывной.В текущем исследовании Такаши Фукая, научный сотрудник, постдокторант, и Боми Лим, научный сотрудник постдокторантуры, оба работали с Левином, изучали роль энхансеров в разрыве транскрипции.
Энхансеры распознаются ДНК-связывающими белками для увеличения или уменьшения скорости транскрипции, но точные механизмы плохо изучены.До недавнего времени визуализация транскрипции у живых эмбрионов была невозможна из-за ограничений в чувствительности и разрешающей способности световых микроскопов. Это стало возможным благодаря новому методу, разработанному три года назад.
Методика, разработанная двумя отдельными исследовательскими группами, одна в Принстоне под руководством Томаса Грегора, доцента физики и Института интегративной геномики Льюиса-Сиглера, а другая во главе с Натали Достатни из Института Кюри в Париже, включает размещение флуоресцентных меток. на молекулах РНК, чтобы они были видны под микроскопом.Исследователи использовали эту технику визуализации в реальном времени для изучения эмбрионов мух на ключевой стадии их развития, примерно через два часа после начала эмбриональной жизни, когда гены подвергаются быстрой и яростной транскрипции в течение примерно одного часа.
В течение этого периода исследователи наблюдали значительный рост взрыва, при котором ферменты РНК-полимеразы выжимали только что транскрибируемый сегмент РНК каждые 10 или 15 секунд в течение периода, возможно, 4 или 5 минут на взрыв. Затем гены расслабились на несколько минут, после чего последовал еще один эпизод взрыва.Затем группа исследовала, влияет ли расположение энхансера — выше или ниже гена — на величину взрыва. В двух разных экспериментах Фукая поместил энхансер либо выше промотора гена, либо ниже гена и увидел, что разные положения энхансера приводят к разным ответам.
Когда исследователи расположили энхансер ниже гена, они наблюдали периодические всплески транскрипции. Однако, когда они поместили энхансер перед геном, исследователи увидели некоторые колебания, но не дискретные всплески. Они обнаружили, что чем ближе энхансер к промотору, тем чаще происходит взрыв.
Чтобы подтвердить свои наблюдения, Лим применил дополнительные методы анализа данных, чтобы подсчитать количество всплесков, которые они видели на видео. Команда обнаружила, что частота всплесков была связана с силой энхансера в повышающей регуляции экспрессии генов. Сильные энхансеры производили больше всплесков, чем слабые энхансеры.
Команда также показала, что вставка сегмента ДНК, называемого инсулятором, снижает количество взрывов и снижает экспрессию генов.Во второй серии экспериментов Фукая показал, что один энхансер может одновременно активировать два гена, которые расположены на некотором расстоянии друг от друга в геноме и имеют отдельные промоторы.
Первоначально предполагалось, что такой энхансер будет способствовать взрыву одного промотора за раз, то есть он достигнет промотора, задержится, произведет всплеск и оторвется. Затем он случайным образом выберет один из двух генов для следующего цикла взрыва. Однако вместо этого наблюдалось то, что взрыв происходил одновременно в обоих генах.«Мы были удивлены этим результатом, — сказал Левин. «Вернемся к чертежной доске!
Это означает, что традиционные модели петлевых взаимодействий энхансер-промотор просто не совсем корректны», — сказал Левин. «Возможно, промоторы могут перемещаться к энхансеру из-за образования хромосомных петель. Это следующая область исследования в будущем».