三大世界顶级实验室合作：发现RNA聚合酶转录起始新机制（图）

　　

生物通报道：Rutgers研究人员Richard H. Ebright及其同事，最近解决了一个围绕转录，这种最为基础生命过程长期存在的一个问题。转录是细胞解读、执行基因所带遗传信息过程的第一步，由RNA聚合酶（polymerase）执行，聚合酶依照DNA中所携带的信息合成出RNA拷贝。Ebright及其同事在11月17日Science发表的两篇文章中，首次对“RNA聚合酶开始合成RNA，以及脱离其起始结合位点延DNA移动继续合成RNA”这种机制进行了描述。

研究结果证实在转录初期，RNA聚合酶固定在其最初结合位点，“卷入”（reels in）邻近的DNA片段、伸展这些片段并且向其内部拉入这种伸展的DNA链。这种非比寻常的机制，术语名为“DNA 蜷缩”（DNA scrunching，生物通编者译），使得RNA聚合酶获得、聚集脱离最初结合位点所需能量，开始沿基因移动。

“我们的发现离不开新设计的单分子方法（single-molecule methods），”霍华德休斯医学院研究员、新泽西州Rutgers大学化学和生化教授Ebright说，“通过这种方法，我们能够在RNA聚合酶执行任务的时候，一个一个地分析、操纵RNA聚合酶分子。”

这种发现明显加快了我们弄清RNA 聚合酶结构和功能的速度，为攻克每年世界范围内引起1千3百万人死亡的细菌疾病带来了新的希望。

“六十年来，抗生物一直是我们抵御细菌感染疾病的壁垒，但是这种壁垒现在正在瘫塌，”Ebright说，“包括肺结核、XDR-TB等在内的大多数细菌病原体，现在显示出对抗生素的抗性。”

另外，可用于设计生物恐怖使用的细菌病原体，前苏联就曾有意制造抗现代抗生素的细菌病原体。

Ebright说他在Rutgers大学Waksman微生物研究所的实验室，由两部分组成，一部分致力于研究RNA聚合酶的基础机制，另一部分主要是利用抑制细菌RNA聚合酶复制原理研发一系列抗菌药物(Antibacterial Agents)。Ebright 说从基础研究到应用研究之间没有额外环节，他们基础研究鉴别细菌RNA聚合酶复制的新弱点，应用研究利用这些新发现的弱点。

其中一篇Science文章，是由Ebright实验室和加州大学洛杉矶分校（University of California-Los Angeles ，UCLA）NanoSystems 研究所的Shimon Weiss实验室共同完成的。Rutgers/UCLA研究小组利用单分子荧光光谱学（single-molecule fluorescence spectroscopy，生物通编者译）原理，将一对荧光“标签”（tag）附着在RNA聚合酶关键结构上，然后在转录开始的时候检测一个RNA聚合酶分子上标签之间的距离变化。研究人员发现，在转录初期，RNA聚合酶并不向附近的DNA片段移动（二十年前所提出的“短程旅行”< transient excursions>和“尺蠖”< inchworming>两个模式术语），相反，RNA聚合酶原地不动，向其内部拉入附近的DNA片段。

转录初期，RNA聚合酶停留在DNA启动子，向其内部拉动下游DNA序列。模板链和非模板链的运动分别用蓝色和红色箭头标出，从RNA聚合酶中出来的被蜷缩的模板链和非模板链用桔红色和粉色虚线标出。供体荧光探针为绿色，在转录起始位点＋20的受体探针为砖红色（在碾平过程中未显示），在转录起始位点＋20的受体探针亮红色（在碾平过程中有显示）

“研究分子机制和分子移动部分的动力学，一直是纳米技术人员的兴趣所在，” UCLA小组领导人Weiss说，“除了进一步了解转录，实验中发现的这种新方法有助于将来研究细胞复制、转录、蛋白合成等过程中的其它分子机制。”

另一篇Science文章，是由Ebright实验室和巴黎Institut Jacques Monod 的Terence Strick实验室合作完成的。Rutgers/巴黎研究小组采用单分子纳米操纵技术（single-molecule nanomanipulation），利用磁镊子(magnetic tweezers)把握、伸展、弯曲只有一个转录起始位点的DNA单分子，然后计算出在转录发生时DNA分子构象（conformation）变化。研究人员发现，RNA聚合酶将附近DNA片段展开，然后在转录初期向其内部拉入展开的DNA片段（蜷缩，scrunching）；当RNA聚合酶离开起始位点开始向下游基因移动时会缠绕这些未卷绕的DNA（未蜷缩，unscrunching）；最终确定每次转录起始时发生时都存在蜷缩和未蜷缩过程，提示这种过程是转录起始不可或缺部分。

将两篇文章结合起来考虑，似乎解释了一个长期存在的问题：RNA聚合酶是怎样获得离开起始位点的能量的。RNA聚合酶通过伸展DNA、在转录起始时向内部拉入伸展的DNA获得能量。DNA伸展后，能量储藏在整个系统中，如同缠绕薄卡纸机翼微型弹射飞机的橡皮圈。最终，系统中储存了足够的能量，RNA聚合酶可以断开其与起始位点之间的相互作用，向前方弹出，同时重新缠绕未卷绕的DNA分子。

Ebright 说刊登的这些结果只是与UCLA和Institut Jacques Monod小组长期合作取得成果的一部分。“我们合作密切，”他说，“三位前Rutgers研究生已经离开我们实验室前往Weiss实验室，还有两位前Rutgers研究生在Strick进行其研究课题。”（生物通记者 子元）