Як учені наблизилися до спостереження за РНК-полімеразою II: структура в клітині та рух у часі

Dye-cycling ORBIT усуває це обмеження за допомогою змінних флуоресцентних зондів. Замість того щоб назавжди прикріплювати барвники до ротора, дослідники використовують ДНК-«посадкові майданчики», до яких мічені олігонуклеотиди можуть тимчасово приєднуватися й від’єднуватися. Коли один зонд втрачає яскравість, його замінює інший — сигнал оновлюється, а сам ротор залишається в експерименті.

У представленій реалізації dcORBIT зберігав точність до однієї пари основ і давав змогу спостерігати за взаємодіями білка з ДНК понад 10 хвилин із частотою 20 Гц. За описом Інституту Солка, за допомогою методу також виміряли обертання РНК-полімерази під час транскрипції.

Однак і тут є важливе обмеження: dcORBIT — це реконструйований од nosingle-molecule експеримент із контрольованими умовами, а не зображення Pol II у ядрі живої клітини. Його головна перевага — тривале вимірювання руху з високою просторовою та часовою роздільною здатністю.

Чому не можна плутати структуру, рух і спостереження в живій клітині

Фраза «спостерігати за транскрипцією» може означати різні типи вимірювань. Флуоресцентні репортери та одномолекулярна мікроскопія вже дали змогу досліджувати динаміку транскрипції конкретних генів у живих клітинах, зокрема зв’язування з промотором, ініціацію, елонгацію та появу нової РНК. Інші дослідження в живих клітинах вимірювали зміни фосфорилювання й організації ендогенної Pol II на генах, представлених в одній копії.

ChIP–cryo-EM і dcORBIT додають до цього інші можливості:

• ChIP–cryo-EM запитує: які структури та молекулярні партнери присутні в нативних транскрипційних комплексах?
• dcORBIT запитує: як окрема машина «білок–ДНК» рухається, обертається, робить паузи або змінює напрямок у часі?
• Візуалізація в живих клітинах запитує: коли й де компоненти транскрипції взаємодіють із генами в неушкодженій клітині?

Сьогодні жоден метод не дає одночасно всіх трьох відповідей. Тому структурний знімок не слід подавати як відео, а траєкторію в реконструйованій системі — як пряме вимірювання транскрипції в ядрі.

Що це означає для регуляції генів

Головний спільний висновок полягає в тому, що транскрипція — динамічний процес, а не робота однієї незмінної молекулярної машини. Pol II може ініціювати синтез РНК, зупинятися, переходити до продуктивної елонгації, обмінюватися регуляторними факторами, рухатися назад — бек-трекінг — або переходити в інший режим руху. Вимірювання в живих клітинах показали наявність різних за кінетикою популяцій Pol II та швидкий обмін ферменту на промоторах, тоді як полімераза, що елонгує транскрипт, може значно довше залишатися пов’язаною з хроматином.

У масових, або ансамблевих, експериментах такі відмінності легко губляться, адже сигнал від багатьох молекул усереднюється. Одномолекулярні методи натомість показують неоднорідність: одна полімераза може перебувати в паузі, поки інша продовжує елонгацію, а регуляторний фактор може приєднатися лише на короткий час. Попередні одномолекулярні дослідження продемонстрували, що саме так можна побачити особливості транскрипції, недоступні для очищених ансамблевих систем.

Для регуляції генів це означає просту, але важливу річ: час і характер молекулярних взаємодій можуть бути не менш важливими, ніж сам набір задіяних молекул. Ефект певного фактора може залежати від тривалості його зв’язування, моменту появи — до чи після паузи — або від того, чи змінює він імовірність переходу Pol II до продуктивної елонгації.

Як ці підходи можуть змінити структурну біологію

Найперспективніший наступний крок — не обирати між нативною структурою та довготривалим відстеженням, а поєднати ці підходи.

Створити атлас нативних станів Pol II

За допомогою ChIP–cryo-EM можна порівнювати комплекси Pol II на різних генах, у різних типах клітин і на різних етапах розвитку, а також після експериментальних втручань. Оскільки метод зберігає зв’язки з геномною ДНК і хроматином під час ізоляції, він може допомогти визначити, які кофактори та конфігурації нуклеїнових кислот супроводжують конкретні транскрипційні стани.

Пов’язати структурні класи з траєкторіями руху

Довготривалі вимірювання ORBIT можуть кількісно описувати паузи, бек-трекінг, кроки вперед і зміни руху, спричинені різними факторами, в окремих молекул. Структурні дані, своєю чергою, допоможуть з’ясувати, чи відповідають різні типи руху певним конформаціям або регуляторним комплексам. Автори дослідження dcORBIT вказують на можливість ширшого застосування методу для вивчення взаємодій білків із ДНК та інших процесів обробки геному.

Перенести dye-cycling ротори на інші молекулярні машини

Такий принцип маркування потенційно можна адаптувати для геліказ, реплісом, ремоделювальників хроматину та інших машин, що працюють із ДНК. У наданих даних ці застосування залишаються перспективами, а не вже продемонстрованими результатами. Проте перевага підходу очевидна: заміна згаслих зондів може подовжити спостереження за повільною, переривчастою або багатостадійною молекулярною поведінкою.

Підсумок

Два прориви усувають різні бар’єри. ChIP–cryo-EM зменшує штучність очищених структурних препаратів, зберігаючи комплекси Pol II, пов’язані з клітинним хроматином. Dye-cycling ORBIT долає проблему фотознебарвлення, багаторазово оновлюючи флуоресцентні зонди й уможливлюючи понад 10 хвилин відстеження з високою часовою роздільною здатністю.

У поєднанні з уже наявними методами візуалізації живих клітин ці технології наближають учених до реалістичнішої мети: пов’язати нативну архітектуру комплексів Pol II зі змінним і неоднорідним рухом, який визначає, чи залишиться ген у стані паузи, чи перейде до продуктивного синтезу РНК.