Kaksi läpimurtoa paljastaa, miten RNA-polymeraasi II toimii

RNA-polymeraasi II (Pol II) on aitotumallisten solujen entsyymi, joka kopioi DNA:n sisältämää geneettistä tietoa RNA:ksi. Tutkijat ovat vuosien ajan tarkastelleet sitä puhdistetuilla proteiineilla, fluoresoivilla merkkiaineilla sekä menetelmillä, joissa useiden molekyylien signaalit yhdistyvät yhdeksi keskiarvoksi.

Näillä tekniikoilla on opittu paljon transkriptiosta eli DNA:n lukemisesta RNA:ksi. Samalla ne voivat kuitenkin häivyttää solun todellisen ympäristön tai katkaista havainnon siinä vaiheessa, kun fluoresoiva signaali haalistuu.

Kaksi uutta edistysaskelta ratkaisee ongelmaa eri suunnista. ChIP-kryo-EM säilyttää RNA-polymeraasi II:n genomiseen DNA:han ja kromatiiniin liittyneenä rakenteellista tutkimusta varten. Värikiertoinen ORBIT (dcORBIT) puolestaan muuttaa polymeraasin liikkeen seurattavaksi pyörimiseksi ja vaihtaa fluoresoivia merkkiaineita jatkuvasti uusiin. Näin tutkijat voivat tarkastella sekä sitä, miltä transkriptiokoneisto näyttää luonnollisessa yhteydessään että sitä, miten yksittäinen kompleksi liikkuu ajan kuluessa.

Ensimmäinen läpimurto: soluperäisten Pol II -kompleksien säilyttäminen kryo-EM:ää varten

Monet korkean resoluution rakenteet on koottu puhdistetuista proteiineista, synteettisistä DNA- ja RNA-rakenteista sekä valikoiduista apuproteiineista. Hallittu koeasetelma on hyödyllinen, mutta siitä voivat puuttua nukleosomit, genominen DNA, RNA, hetkellisesti sitoutuvat säätelytekijät ja muut solun ominaisuudet, jotka vaikuttavat siihen, millaisia transkription tiloja soluissa syntyy. Pol II:n rakennetutkimusta käsittelevät katsaukset korostavat, että puhdistetut ja uudelleen kootut järjestelmät ovat olleet keskeisiä aloituksen, pysähtymisen, elongaatio- eli jatkovaiheen ja lopetuksen ymmärtämisessä. Samalla ne muistuttavat nukleiinihappojen ja säätelytekijöiden merkityksestä.

ChIP-kryo-EM kehitettiin tuomaan enemmän tätä luonnollista solukontekstia rakennetutkimukseen. Tutkijat eristivät ihmisen soluista immunosaostuksella Pol II -komplekseja, jotka olivat yhä yhteydessä genomiseen DNA:han ja kromatiiniin. Tämän jälkeen he määrittivät kryo-elektronimikroskopian avulla luonnollisista soluista peräisin olevien, genomista DNA:ta transkriboivien Pol II -elongaatio-kompleksien rakenteita.

Kyseessä on rakenteellinen läpimurto, ei elävä videokuva. Kompleksit eristetään ennen kuvaamista, joten menetelmä tuottaa tilannekuvia transkriptiokoneistoista, jotka olivat olemassa solun ympäristössä. Se ei seuraa samaa polymeraasia jatkuvasti sen transkriptoidessa ehjässä elävässä solussa. Ero on tärkeä, sillä transkriptiokompleksit eivät ole keskenään samanlaisia, vaan voivat olla useissa eri tiloissa.

Toinen läpimurto: yksittäismolekyylin seuranta saadaan kestämään pidempään

Alkuperäisessä ORBIT-menetelmässä proteiini–DNA-vuorovaikutukseen kiinnitetään DNA-origamista valmistettu roottori. Kun polymeraasi liikkuu DNA:ta pitkin, roottorin pyöriminen vahvistaa ja muuttaa tämän liikkeen optisesti havaittavaksi signaaliksi. Menetelmä voi paljastaa liikkeen yhden emäsparin tarkkuudella, mutta tavanomaiset fluoresoivat merkkiaineet haalistuvat lopulta valon vaikutuksesta. Se rajoittaa kokeen kestoa.

Värikiertoinen ORBIT ratkaisee tämän pullonkaulan vaihdettavilla fluoresoivilla koettimilla. Väriaineita ei kiinnitetä pysyvästi roottoriin, vaan roottorin varsiin rakennetaan yksijuosteisen DNA:n niin sanottuja kiinnittymispaikkoja. Merkitty oligonukleotidi voi sitoutua niihin hetkeksi ja irrota sitten. Kun yksi fluoresoiva koetin haalistuu, tilalle voi kiinnittyä uusi ilman, että itse roottorista tai kokeesta tarvitsee luopua.

Raportoidussa toteutuksessa dcORBIT säilytti yhden emäsparin tarkkuuden ja mahdollisti proteiini–DNA-vuorovaikutusten seuraamisen yli 10 minuutin ajan 20 hertsin taajuudella. Salk-instituutin mukaan menetelmällä mitattiin myös RNA-polymeraasin pyörimistä transkription aikana. Tavoitteena on tehdä aiemmin näkymättömistä molekyyliliikkeistä mitattavia.

Myös tässä on tärkeä rajaus: dcORBIT on kontrolloitu, uudelleen koottu yksittäismolekyylikoe, ei Pol II:n kuvaamista elävän solun tumassa. Sen vahvuus on pitkäkestoinen ja erittäin tarkka liikkeen mittaus määritellyissä olosuhteissa.

Rakenne, liike ja elävä solu ovat eri asioita

Ilmaus ”transkription seuraaminen” voi tarkoittaa useita erilaisia mittauksia. Fluoresoivat reportterit ja yksittäismolekyylimikroskopia ovat jo aiemmin mahdollistaneet transkription dynamiikan tarkastelun elävissä soluissa tietyissä geeneissä. Niillä on voitu tutkia esimerkiksi promoottoriin sitoutumista, aloitusta, elongaatioita ja syntyvää RNA:ta. Toisissa elävien solujen tutkimuksissa on mitattu solun oman Pol II:n fosforylaatiotilan ja järjestäytymisen muutoksia yksittäisissä geenikopioissa.

ChIP-kryo-EM ja dcORBIT täydentävät näitä menetelmiä:

• ChIP-kryo-EM kysyy: Millaisia rakenteita ja molekyylikumppaneita luonnollisissa transkriptiokomplekseissa on?
• dcORBIT kysyy: Miten yksittäinen proteiini–DNA-koneisto liikkuu, pyörii, pysähtyy tai peruuttaa ajan kuluessa?
• Elävien solujen kuvantaminen kysyy: Milloin ja missä transkriptiotekijät ja polymeraasit liittyvät geeneihin ehjän solun sisällä?

Yksikään menetelmä ei tällä hetkellä anna kaikkia kolmea vastausta samanaikaisesti. Rakenteellisen tilannekuvan esittäminen elokuvana tai uudelleen kootussa koeputkessa mitatun liikeradan tulkitseminen suoraksi havainnoksi tumassa tapahtuvasta transkriptiosta liioittelisi kokeiden osoittamaa.

Miksi liike on tärkeää geenien säätelyssä?

Yhdessä tarkasteltuna tutkimukset vahvistavat, ettei transkriptio ole yhden muuttumattoman molekyylikoneen suoritus. Pol II voi aloittaa transkription, pysähtyä, siirtyä tehokkaaseen elongaatioon, vaihtaa säätelytekijöitä ja mahdollisesti peruuttaa liikettään eli backtrackata. Elävissä soluissa tehdyt mittaukset ovat paljastaneet kineettisesti erilaisia Pol II -joukkoja ja nopeaa vaihtuvuutta promoottoreilla, kun taas elongaatioon siirtynyt Pol II voi pysyä kromatiinissa huomattavasti pidempään.

Ensemble-mittauksissa eli monien molekyylien yhteissignaaliin perustuvissa kokeissa tällaiset erot voivat peittyä keskiarvoon. Yksittäismolekyylimenetelmät paljastavat heterogeenisuuden: yksi polymeraasi voi olla pysähdyksissä samaan aikaan, kun toinen jatkaa elongaatioita, ja säätelytekijä voi viipyä sitoutuneena vain hetken. Aiempi yksittäismolekyylitutkimus osoitti, että näillä menetelmillä voidaan nähdä transkription piirteitä, joita puhdistetuilla ensemble-kokeilla ei voida erottaa.

Johtopäätös on selkeä: geenien säätelyssä molekyylien välisten vuorovaikutusten ajoitus ja liike voivat olla yhtä tärkeitä kuin mukana olevien molekyylien nimet. Säätelytekijän vaikutus voi riippua siitä, kuinka kauan se pysyy sitoutuneena, saapuuko se ennen pysähdystä vai sen jälkeen tai muuttaako se tehokkaan elongaatioon siirtymisen todennäköisyyttä.

Mihin menetelmiä voidaan käyttää seuraavaksi?

Hyödyllisin seuraava askel ei ole valita luonnollisen rakenteen ja pitkäkestoisen seurannan välillä, vaan yhdistää ne.

Luonnollisten transkriptiotilojen rakenteellinen kartasto

ChIP-kryo-EM:llä voitaisiin vertailla Pol II -kokoonpanoja eri geeneissä, solutyypeissä, kehitysvaiheissa ja kokeellisissa häiriötilanteissa. Koska menetelmä säilyttää yhteydet genomiseen DNA:han ja kromatiiniin eristämisen aikana, se voi auttaa selvittämään, mitkä apuproteiinit ja nukleiinihappojen rakenteet liittyvät tiettyihin transkription tiloihin.

Rakenteiden yhdistäminen liikeratoihin

Pitkäkestoiset ORBIT-mittaukset voisivat määrittää yksittäisistä liikeradoista pysähdyksiä, taaksepäin liikkumista, etenemisaskelia ja säätelytekijöistä riippuvia muutoksia. Rakennetiedot voisivat puolestaan auttaa selvittämään, liittyvätkö erilaiset liikkeet tiettyihin rakennekokoonpanoihin tai säätelykomplekseihin. dcORBIT-tutkimus nostaa esiin myös laajemmat mahdollisuudet tutkia proteiini–DNA-vuorovaikutuksia ja muita genomin käsittelyyn liittyviä prosesseja.

Värikiertoinen roottori muihin DNA-koneisiin

Samaa merkintäperiaatetta voitaisiin mahdollisesti soveltaa muihin DNA:ta käsitteleviin molekyylikoneisiin, kuten helikaaseihin, replisomeihin ja kromatiinin muokkaajiin. Nämä ovat tulevaisuuden mahdollisuuksia, eivät toimitetun näytön perusteella jo osoitettuja sovelluksia. Perusidea on silti selvä: haalistuneiden koettimien korvaaminen uusilla voi pidentää hitaiden, katkonaisesti etenevien tai useassa tilassa olevien molekyylien havainnointia.

Lopputulos

Kaksi läpimurtoa ratkaisee kaksi eri ongelmaa. ChIP-kryo-EM vähentää puhdistettuihin rakenteisiin liittyvää keinotekoisuutta säilyttämällä Pol II -komplekseja yhdessä solun kromatiinin kanssa. Värikiertoinen ORBIT puolestaan kiertää fotobleaching-ilmiön eli fluoresenssin haalistumisen täydentämällä merkkiaineita uusilla ja mahdollistaa yli 10 minuutin tarkkailun suurella ajallisella resoluutiolla.

Yhdessä jo vakiintuneen elävien solujen kuvantamisen kanssa menetelmät vievät transkriptiotutkimusta kohti realistisempaa tavoitetta: Pol II -kompleksien luonnollisen rakenteen yhdistämistä niihin muuttuviin ja keskenään erilaisiin liikkeisiin, jotka ratkaisevat, jääkö geeni taukotilaan vai siirtyykö se tuottavaan RNA-synteesiin.