当RNA聚合酶选择开始合成RNA的位置时发生DNAscrunching

将新型“大数据”信息学工具与基础生物学专业知识相结合的研究合作揭示了生命中一个重要过程的细节：一个关键的酶如何将DNA定位于DNA开始指导RNA合成的位点。这一发现可能有助于发现新的抗菌药物，为这项研究开发的强大技术方法可能会阐明其他重要的细胞过程。来自费城儿童医院的生物信息学小组与罗格斯大学的研究人员合作进行了这项研究，该研究今天在线出现在“ 科学”杂志上。

“我们开发的算法使我们能够解决DNA和RNA生物学不同领域的许多问题，”该研究的共同作者，儿童生物医学和健康信息学系生物信息学主任Deanne M. Taylor博士说。费城医院(CHOP)。“了解这些基本过程可能有助于开发抗菌治疗以对抗细菌性疾病。”

泰勒与来自新泽西州立大学罗格斯大学的生物化学家Bryce Nickels博士和化学家Richard Ebright博士合作进行了这项研究。

该研究的重点是转录 - 细胞如何通过首先将遗传信息的副本合成为RNA来读取存储在DNA中的遗传信息。RNA聚合酶是进行转录的分子机器。在目前的研究中，CHOP / Rutgers团队确定了RNA聚合酶如何定位DNA开始转录的位点。

特别是在细菌中工作，CHOP / Rutgers团队表明，在RNA聚合酶结合DNA并部分解开DNA螺旋的两条链之后，它继续解开这两条链，将未缠绕的DNA链拉入自身，直到它与转录起始位点(TSS)。研究人员将这一过程称为解缠DNA并将其拉入自身 - “DNA scrunching”。Nickels指出，“科学家们已经知道三十多年来转录起始位点各不相同，但之前并不知道这种机制。”

为了在TSS选择过程中检测DNA scrunching，研究人员开发了强大的新实验方法，称为MASTER和MASTER-XL。CHOP / Rutgers团队在2015年12月的Molecular Cell论文中首次描述了MASTER(用于“大规模系统转录终点读数”)。

MASTER-XL将MASTER技术与蛋白质特定位点的交联引入人工氨基酸结合，与DNA中的位点交联。利用高通量算法，研究团队能够精确，快速地确定百万种不同DNA序列中的交联位点，每个DNA序列都带有不同的TSS区域。在每个序列中，研究小组确定了TSS以及RNA聚合酶与DNA连接的前(前缘)和后(后缘)位置。

与CHOP的Taylor生物信息学小组合作的研究生Yuanchao Zhang用Taylor开发了大数据算法来分析MASTER和MASTER-XL实验的测序数据输出。“我们的算法可以快速处理数百万个DNA和RNA序列读数，”泰勒说。

快速测序，加上交联的先进生化和化学方法，提供了关于转录过程中DNA scrunching如何发生的关键发现。随着TSS位置的变化，RNA聚合酶前沿的位置在锁定步骤中发生变化，但酶的后缘保持在相同的位置。这导致DNA被碾碎：它在其后缘保持固定在RNA聚合酶上，但是RNA聚合酶展开相邻的DNA并将未展开的DNA拉到自身中直到它找到新的TSS。

“我们的方法的关键特征，”Ebright解释说，“是蛋白质-DNA交联与下一代DNA测序的结合。这使我们能够在相同的时间内进行100万种不同DNA序列的交联研究。我们以前需要用一个DNA序列进行交联研究。“ 他补充说：“吞吐量增加百万倍，可以解决以前无法解决的生物问题。”

CHOP / Rutgers的合作者正在研究高等生物的转录，分析在TSS选择过程中是否发生DNA scrunching，如果是，那么它与细菌过程的比较。该团队还希望应用MASTER和MASTER-XL来分析其他重要的细胞过程，如DNA复制。

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