转录机器的工作原理研究

【摘要】自上世纪五十年代末分子生物学的“中心法则”提出起,探究基因转录的物质基础成了生命科学的基础性课题。到本世纪初,对实施转录的分子机器的结构解析基本完成。然而,转录机器的动态运转机制依旧未知。转录机器的功能是响应转录激活子浓度变化所携带的细胞信号,并藉此以合适的速率将蕴含在DNA序列中的遗传信息转换为mRNA。经典的转录机器运转模型认为,当转录激活子的浓度维持恒定时,mRNA的生成速率是一个伴有微量涨落的稳恒值。但实验结果显示,mRNA的生成非但不连续,而是离散的“爆发式”。目前,实验技术尚难以揭示转录过程的动力学机制。我们的研究涉及转录动力学的三大主要领域,主要成果是：1)在理论上提出了真核生物转录机器运转的一般规则,解释了相关实验现象并调和了主流观点的冲突；2)指出了“转录钟”现象背后的分子动力学本质；3)得到了转录机器在类真核的原核生物启动子上的运转机制,并发现了一条转录机器工作机制的进化线索。具体如下：在第二章中,我们基于转录机器的一般性建构规则,给出了它运转的数学表达式,并进一步得到了它的工作原理：在媒介子和增强子之间,存在一个钳形空间。该空间结构是临时架构的且不稳定。转录激活子快速地循环进出钳形空间——在这一过程中,激活子的浓度被编码为激活子对该空间的时间占有率。激活子的进入会导致媒介子的构象变化,进而引发整个核心启动子区的转录机器的一系列调整,从而允许RNA聚合酶Ⅱ能够快速地起始、重起始mRNA的合成。转录重起始的速率远大于激活子在钳形空间中的循环进出速率；时间占率信息于是被转换为mRNA的生成速率。基于以上工作原理,第三章的数值模拟再现并解释统一了多达7类不同性质的实验现象。比如,转录爆发不是简单的噪音现象,而是可靠转录响应的基础。“转录钟”是实验研究转录机器的运转动力学时发现的奇特现象。基因转录过程中,蛋白质与启动子之间相互作用的形式可归纳为”结合-解离-结合”的重复。定量测量结果显示,这一过程是周期性地发生的,且在某些启动子上同时呈现了长短两种周期。长周期为数十分钟,短周期不超过几分钟。这种所谓的“转录钟”现象背后的分子动力学本质尚处于激烈争执中。在第四章,我们给出了基因启动子状态演化的数学方程式,将宏观的实验结果与微观的分子运动机制相联系,进而得到了其本质并调和了学术界的观点冲突。我们的结论是：蛋白质与启动子之间的相互作用本质上就是快速的结合解离,即快循环；而稳定的蛋白质和启动子结合几乎不会发生。蛋白质是通过快循环来实施其生理功能的。不同种类的蛋白质的快循环发生在不同的转录阶段——这一特征在被染色质免疫沉淀技术定量测量的时候,必然表现为慢循环。慢循环不代表稳定的蛋白质与DNA的结合,也不是对快循环的某种调制。这项研究同时给出了转录动力学的本质与测量手段之间的关系。基于这项研究成果的数值模拟再现了同时发生的快慢循环现象。最新的单分子测量技术尚难以运用于真核生物转录机器的研究；但在简单的原核生物转录领域,测得了在类真核的启动子上的聚合酶全酶与启动子相互作用的动力学。然而,整个转录机器的运转机制依然无法测得。我们在第五章分析了所有可能的空间架构和拓扑形式,找到了能解释并统一宏观实验现象的唯一关键构象：DNA被一个转录激活子短暂地环化——环化是通过该激活子的两个DNA结合结构域实现的。这表明弱的蛋白质-DNA相互作用可以有不亚于强的相互作用的重要性——这一点是先前的生物信息学研究所没有考虑的。这项研究也为研究转录机器的工作原理的进化提供了线索。概括起来,我们在已有结构数据和动力学数据的基础上,运用物理和数学手段,给出了高等真核生物与原核生物类真核模式的转录机器的工作原理。结果能够解释并统一相关的实验现象与观点冲突。此外,本文对转录动力学的后续理论和实验研究都有较重要的启发意义。
【作者】王耀来；
【导师】刘锋；王炜；李俊；
【作者基本信息】南京大学，物理学，2014，博士
【关键词】转录动力学；转录爆发；快循环与慢循环；媒介子复合物；弱的蛋白质-DNA相互作用；

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