挑战原理论：最新基因转录机制

生物通报道：来自康奈尔大学应用与工程物理学院（School of Applied and Engineering Physics，生物通注），分子生物学与遗传性学系的研究人员发现基因转录的分子机器——将DNA片段的信息通过精巧的机制转换成mRNA链——在细胞核的特殊“转录制造厂”并不是固定的。相反，RNA合成酶II（RNA polymerase II，Pol II，生物通注）和其它关键分子能在一个活性基因位点处组装，无论这个基因处在什么位置。

这项研究由分子生物学与遗传学专家John T. Lis领导完成，文章第一作者是康奈尔大学在读博士姚杰（Jie Yao，音译，生物通注），参与研究的还包括应用物理学教授Watt W. Webb，这一研究成果公布在12月28日的《Molecular Cell》杂志上。

利用一种新技术：多光子显微（Multiphoton microscopy）技术——这种技术由Webb发展出来，能获得活体高精度3D成像，研究人员观测了多线染色体（polytene chromosome，生物通注），这种染色体是由核内DNA多次复制产生的子染色体平行排列, 且体细胞内同源染色体配对, 紧密结合在一起, 从而阻止了染色体纤维进一步聚缩, 形成体积很大的由多条染色体组成的结构。

（活细胞多光子显微成像实时追踪热激活位点的转录激活）

研究人员激活了热激基因——用于保护细胞免受温度突然增高的伤害，之后从转录一开始就实时追踪这些基因，并且研究人员也用荧光标记标记了Pol II，用以追踪其在细胞核中的移动情况。

一些报道认为活性基因会移动到一个特殊的细胞核位置进行转录，但是在这篇研究论文中，康奈尔的研究人员认为基因的活性并不依赖于特定的位点，即所谓的“转录制造厂”。

Lis表示，“在转录过程中，基因会解开，被聚合酶结合，但是他们并不会在一个单一的地方聚集”，相反，转录机器无论其位于细胞核的何处，都能在called-upon位点组装。

为了验证这一研究结果不仅适用与多线染色体，也适用与正常染色体，研究人员又利用了一种称为荧光原位杂交（fluorescence in situ hybridization，生物通注）的技术，这种技术可以帮助研究人员追踪组装好的细胞染色体中的特殊DNA序列。

在对共调控热激蛋白（即同时转录的基因，生物通注）位点的研究过程中，研究人员发现在热激基因还没有相互靠近之前，不同位点的共调控基因会在热激之后相互配对，而在多线染色体中，基因并不会移动到转录的某一单一位点。

进一步，研究人员利用光脱色荧光恢复技术(fluorescence recovery after photobleaching FRAP，生物通注）发现随着时间推移，Pol II开始随着活性基因新形成的“小室”循环工作。

目前Lis等人正在寻找转录过程中的其它分子，检测是否具有相同的机制，“我们希望能发现体内新的途径，了解基因如何进行调控的。”
（生物通：张迪）

原文摘要：
Molecular Cell, Vol 28, 978-990, 28 December 2007
Intranuclear Distribution and Local Dynamics of RNA Polymerase II during Transcription Activation
『Abstract』

名词解释：

1.多线染色体(polytene chromosome)

核内DNA多次复制产生的子染色体平行排列, 且体细胞内同源染色体配对, 紧密结合在一起, 从而阻止了染色体纤维进一步聚缩, 形成体积很大的由多条染色体组成的结构叫多线染色体。多线化的细胞处于永久间期, 体积也相应增大, 它存在于双翅目昆虫的幼虫组织内, 如唾液腺、气管等。

多线染色体来源于核内有丝分裂(endomitosis)。对幼虫果蝇唾液腺细胞的染色体分析发现比其他类型的细胞中的染色体粗100倍。在幼虫发育期间, 这些细胞停止了分裂, 但体积不断增大, DNA继续进行复制,以维持细胞的高分泌活性。复制的DNA链并不分开而是平行排列, 产生的巨大染色体中所含DNA链是正常染色体的1024倍。

2.光脱色荧光恢复技术(fluorescence recovery after photobleaching FRAP)


研究膜流动性的一种方法。首先用荧光物质标记膜蛋白或膜脂, 然后用激光束照射细胞表面某一区域, 使被照射区域的荧光淬灭变暗形成一个漂白斑。由于膜的流动性,漂白斑周围的荧光物质随着膜蛋白或膜脂的流动逐渐将漂白斑覆盖，使淬灭区域的亮度逐渐增加, 最后恢复到与周围的荧光光强度相等。

细胞膜蛋白的标记方法有很多种。可以用非特异性的染料,如异硫氰酸荧光素(fluorescein isothiocyanate,FITC)将细胞膜蛋白全部进行标记。也可用特异性的探针,如荧光抗体,标记特异的膜蛋白。膜蛋白一旦被标记就可用激光束进行局部照射处理,使荧光脱色,形成直径约为1μm的白斑。若是可移动的膜蛋白,则会因蛋白的移动,使白斑消失,若是不能移动的蛋白.则白斑不会消失。

根据荧光恢复的速度, 可推算膜脂的扩散速度为每秒钟为几个微米，而膜蛋白的扩散速度变化幅度较大，少数膜蛋白的扩散速度可达到膜脂的速度，大多数蛋白的扩散速度都比膜脂慢，还有一些膜蛋白完全限于某一个区域。正是这种限制，使膜形成一些特定的膜微区(membrane domain),这些微区具有不同的蛋白组成和功能。这实际上是膜蛋白不对称分布带来膜功能的不对称。

FRAP技术也有它的不足之处。第一,它只能检测膜蛋白的群体移动,而不能观察单个蛋白的移动。其次,它不能证明膜蛋白在移动时是否受局部条件的限制。为了克服这些不足,发展了单颗粒示综(single-particle tracking,SPT)技术,可以用抗体金(直径15～40 nm)来标记单个膜蛋白,然后通过计算机控制的摄像显微镜进行观察。

附：
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