每个活细胞都会将 DNA 转录成 RNA。这个过程始于一种名为 RNA 聚合酶 (RNAP) 的酶夹住 DNA。在几百毫秒内，DNA 双螺旋解开形成一个称为转录泡的节点，这样一条暴露的 DNA 链就可以被复制成一条互补的 RNA 链。

RNAP 如何实现这一壮举在很大程度上是未知的。RNAP 打开转录泡的过程快照将提供大量信息，但这个过程发生得太快，目前的技术无法轻松捕捉到这些结构的可视化。现在，《 自然结构与分子生物学》 杂志上的 一项新研究 描述了大肠杆菌 RNAP 打开转录泡的过程。

该研究结果在 RNAP 与 DNA 混合后 500 毫秒内被捕获，揭示了转录的基本机制，并解答了关于启动机制及其各个步骤的重要性的长期问题。“这是第一次有人能够实时捕获瞬时转录复合物的形成过程，”第一作者、 洛克菲勒大学Seth Darst实验室的研究专家 Ruth Saecker 说。“了解这一过程至关重要，因为它是基因表达中的一个重要调控步骤。”

前所未有的视角

Darst 是第一个描述细菌 RNAP 结构的人，而梳理其精细结构一直是其实验室的主要工作重点。尽管数十年的研究已经证实，RNAP 与特定 DNA 序列结合会触发一系列步骤来打开气泡，但 RNAP 如何分离链并将一条链定位在其活性位点仍存在激烈争论。

该领域的早期研究表明，气泡打开是该过程的关键减缓因素，决定了 RNAP 进入 RNA 合成的速度。该领域后来的研究结果挑战了这一观点，并出现了关于这一限速步骤性质的多种理论。“我们从其他生物技术中了解到，当 RNAP 首次遇到 DNA 时，它会形成一堆受到严格调控的中间复合物，”该实验室的博士后研究员、论文合著者 Andreas Mueller 说。“但这一过程可以在不到一秒的时间内完成，我们无法在如此短的时间内捕捉到结构。”

为了更好地理解这些中间复合物，该团队与纽约结构生物学中心的同事合作，后者开发了一种基于喷墨的机器人系统，可以快速准备生物样本进行低温电子显微镜分析。通过这种合作，该团队捕获了 RNAP 与 DNA 相遇后前 100 到 500 毫秒内形成的复合物，并获得了四种不同中间复合物的图像，其细节足以进行分析。

这是第一次清晰地展现出 RNA 聚合酶与 DNA 结合的初始阶段形成的结构变化和中间体。“这项技术对这项实验极其重要，”Saecker 说。“如果没有快速混合 DNA 和 RNAP 并实时捕捉其图像的能力，这些结果就不可能存在。”

就位

通过检查这些图像，研究小组成功地勾勒出一系列事件，展示了 RNAP 如何与 DNA 链在分离时相互作用，其细节程度前所未见。随着 DNA 解开，RNAP 逐渐抓住一条 DNA 链，防止双螺旋重新结合在一起。每次新的相互作用都会导致 RNAP 改变形状，从而形成更多的蛋白质-DNA 连接。这包括推出阻止 DNA 进入 RNAP 活性位点的蛋白质的一部分。这样就形成了稳定的转录泡。

研究小组提出，转录中的限速步骤可能是 DNA 模板链在 RNAP 酶活性位点内的定位。此步骤涉及克服重大能量障碍并重新排列多个组件。未来的研究将旨在证实这一新假设并探索转录中的其他步骤。

“我们只研究了这项研究中最早的步骤，”穆勒说。“接下来，我们希望研究转录周期中的其他复合物、较晚的时间点和其他步骤。”

除了解决关于如何捕获 DNA 链的相互矛盾的理论之外，这些结果还凸显了新方法的价值，该方法可以实时捕获几毫秒内发生的分子事件。这项技术将使更多此类研究成为可能，帮助科学家可视化生物系统中的动态相互作用。

“如果我们想了解生命中最基本的过程之一，即所有细胞都会发生的过程，我们就需要了解其进程和速度是如何受到调控的，”达斯特说。“一旦我们知道了这一点，我们就能更清楚地了解转录是如何开始的。”