Транскрипционный разрыв - Transcriptional bursting
Транскрипционная разрывная , также известный как транскрипционный пульсирующей , является фундаментальным свойством генов , в которых транскрипции от ДНК к РНК могут происходить в «всплесков» или «импульсов», которые наблюдали в различных организмов, от бактерий до млекопитающих.
Обнаружение явления
Это явление стало очевидным с появлением таких технологий, как мечение MS2 и флуоресценция одиночной молекулы РНК in situ , для обнаружения продукции РНК в отдельных клетках посредством точных измерений количества РНК или появления РНК в гене. Другие, более распространенные методы, такие как Нозерн-блоттинг , микроматрицы , RT-PCR и RNA-Seq , позволяют измерять объемные уровни РНК из экстрактов гомогенных популяций. Эти методы теряют динамическую информацию от отдельных клеток и создают впечатление, что транскрипция - это непрерывный плавный процесс. Наблюдаемая на уровне отдельных клеток, транскрипция нерегулярна, с сильными периодами активности, перемежаемыми длительными периодами бездействия.
Механизм
Взрыв может быть результатом стохастической природы биохимических событий, наложенной на двухступенчатую флуктуацию. Предполагается, что в своей наиболее простой форме ген находится в двух состояниях: в одном, где активность незначительна, и в другом, где существует определенная вероятность активации. Только во втором состоянии легко происходит транскрипция. Кажется вероятным, что некоторые рудиментарные эукариоты имеют гены, которые не раскрываются. Гены всегда находятся в разрешающем состоянии, с простой вероятностью, описывающей количество сгенерированных РНК.
Более свежие данные показывают, что модель двух состояний может быть чрезмерным упрощением. Транскрипцию гена c-Fos в ответ на стимуляцию сывороткой по большей части можно описать двумя состояниями, хотя в определенные моменты времени после стимуляции третье состояние лучше объясняет различия в данных. Другая модель предполагает, что может применяться модель с двумя состояниями, но каждая клетка имеет разную скорость транскрипции в активном состоянии. Другие анализы указывают на спектр или континуум состояний активности. Ядерный и сигнальный ландшафты сложных эукариотических ядер могут благоприятствовать более чем двум простым состояниям - например, существует более нескольких десятков посттрансляционных модификаций нуклеосом и, возможно, сотни различных белков, участвующих в средней реакции транскрипции эукариот.
Что представляют собой репрессивные и разрешительные государства? Привлекательная идея состоит в том, что репрессированное состояние представляет собой закрытую конформацию хроматина, в то время как разрешающие состояния более открыты. Другая гипотеза состоит в том, что флуктуации между состояниями отражают обратимые переходы в связывании и диссоциации комплексов до инициации. Всплески также могут быть результатом прерывистой передачи сигналов, эффектов клеточного цикла или перемещения хроматина к фабрикам транскрипции и от них . Было продемонстрировано, что динамика взрыва зависит от размера клетки и частоты внеклеточной передачи сигналов. Последние данные показывают, что при разной степени суперспирализации можно различить разрешающее и неактивное состояния.
Феномен разрыва, в отличие от простых вероятностных моделей транскрипции, может объяснить высокую вариабельность (см. Транскрипционный шум ) в экспрессии генов, происходящую между клетками в изогенных популяциях. Эта изменчивость, в свою очередь, может иметь огромные последствия для поведения клеток и должна быть смягчена или интегрирована. Предлагаемые механизмы подавления шума включают сильную внеклеточную передачу сигналов, диффузию РНК и белка в клеточную синцитию, проксимальную паузу промотора и ядерное удержание транскриптов. В определенных контекстах, таких как выживание микробов в быстро меняющейся стрессовой среде, вариабельность экспрессии может быть существенной. Вариабельность также влияет на эффективность клинического лечения, поскольку устойчивость бактерий к антибиотикам, очевидно, вызвана негенетическими различиями. Подобные явления могут способствовать устойчивости субпопуляций раковых клеток к химиотерапии. Также предполагается, что спонтанная вариабельность экспрессии генов действует как источник разнообразия клеточных судеб в процессах самоорганизующейся дифференцировки и может действовать как барьер для эффективных стратегий клеточного репрограммирования.