In deinen Zellen ist fast immer Frühling. Oder zumindest federnd.
Biowissenschaftler wissen seit einiger Zeit, dass Chromosomen dazu neigen, ihre Proteinprodukte eher in Schüben als in gleichmäßiger Weise zu exprimieren. Eine neue theoretische Studie von Wissenschaftlern der Rice University, die im Biophysical Journal ausführlich beschrieben wird, zielt darauf ab, den Prozess, der chemische Reaktionen und mechanische Kräfte kombiniert, besser zu erklären.
Der Reischemiker Anatoly Kolomeisky und die Doktorandin und Hauptautorin der angewandten Physik, Alena Klindziuk, bauten das erste vereinfachte analytische Modell des „Berstens“, um zu zeigen, wie der Druck eines RNA-Polymeraseenzyms den Ansturm der RNA-Produktion auslöst, aber nur bis zu dem Grad dass es eine DNA-Spule schieben kann.
Während sie sich wie eine Feder zusammendrückt, exprimiert diese DNA-"Superspirale" weiterhin RNA - die dann die Proteine selbst herstellt - bis das Enzym nicht mehr drücken kann. Erst wenn ein weiteres Enzym, eine Gyrase, die Spannung löst, kann die Produktion von neuem beginnen.
"Mit Fortschritten in experimentellen Techniken können Menschen messen, wie viel RNA Sie produzieren, und daher war es eine naive Erwartung, dass die Produktionsgeschwindigkeit mehr oder weniger konstant war", sagte Kolomeisky, ein Chemiker mit Titel dessen Gruppe sich seit langem dafür interessiert, wie biochemische Reaktionen funktionieren, um biologische Mechanismen anzutreiben, und umgekehrt.
"Es war überraschend, als wir feststellten, dass es so nicht funktioniert", sagte er. "Es wird viel RNA produziert und dann gibt es eine Zeit der Stille. RNA wird in einem sehr stoßweisen Verh alten produziert, aber die molekularen Details haben gefehlt."
Er sagte, die Art und Weise, wie sich die RNA-Polymerase mit der doppelhelikalen DNA ausrichtet, wickelt sich dabei zusammen. "Es dreht sich und setzt der DNA mechanische Zwänge", sagte Kolomeisky. "Eine Feder ist ein hervorragendes Beispiel. Je mehr Sie eine Feder drücken, desto schwieriger wird es, sie zu drücken.
"Wir glauben, dass die RNA-Polymerase die DNA wickelt, um die RNA-Produktion zu starten", sagte er. „Zu Beginn des Prozesses bekommt man einen Burst, aber der Prozess verlangsamt sich, wenn er die Feder zusammendrückt. Dann kommen Gyrasen herein; sie entwirren diese Superspule, sodass die normale Produktion wieder beginnen kann.“Gleichzeitig sagte er, dass Gyrasen auch negativen Stress abbauen, der auf der anderen Seite der Polymerase entsteht.
"Im Wesentlichen haben wir das erste quantitative energetische Modell erstellt, das diese Explosion erklärt", sagte Kolomeisky. "Wir sind in der Lage, die experimentellen Daten (die in Experimenten mit Bakterien gesammelt wurden) zu interpretieren und fanden heraus, dass diese Superspule existiert."
Er sagte, die Berechnungen zeigen, dass die DNA-"Feder" relativ schwach ist. "Das hat biologische Bedeutung, weil es bedeutet, dass wir den Prozess leichter regulieren können, indem wir Gyrasen regulieren", sagte er.
Klindziuk bemerkte, dass es viele andere Spieler im Prozess gibt, die letztendlich berücksichtigt werden müssen.„Wir hätten viele Effekte hinzufügen können, wie Transkriptions- und andere epigenetische Faktoren“, sagte sie. „Wir wollen ein Modell erstellen, bei dem es mehrere Polymerasen auf der DNA gibt. In diesem Modell hatten wir nur eine, aber in Wirklichkeit gibt es viele Polymerasen stoppen und ihre Aktivität wieder aufnehmen."
"Dies ist ein Beispiel für fortgeschrittene Experimente, die uns dazu veranlasst haben, nach einer signifikanten theoretischen Lösung zu suchen", sagte Kolomeisky. "Normalerweise passiert es in die entgegengesetzte Richtung, aber diesmal konnten Experimente den Prozess visualisieren, und das veranlasste uns, darüber nachzudenken und zu erklären."
