它是什么样的“打开”一个基因

去年报道的视频很模糊，只有几秒钟，但看到它的科学家们惊叹不已。他们第一次见证了一个早期步骤的细节 - 一个看不见的，只是巧妙地推断 - 在生物学的一个中心事件：打开一个基因的行为。那些蓝色和绿色斑点是DNA的两个关键位，称为增强子和启动子(标记为发荧光)。当他们触摸时，一个基因通电，正如红色爆发所揭示的那样。

这件事非常重要。我们体内的所有细胞基本上都包含大约20,000个不同的基因，这些基因编码在数十亿个构建基块(核苷酸)中，这些基因组在长链DNA中串联在一起。通过唤醒不同组合和不同时间的基因子集，细胞具有特殊的身份，并构建惊人的不同组织：心脏，肾脏，骨骼，大脑。然而直到最近，研究人员还没有办法直接看到基因激活过程中发生了什么。

他们早就知道这个过程的大致轮廓，称为转录。恰当地称为转录因子的蛋白质与基因中的位置 - 启动子 - 以及更远的DNA点(增强子)结合。这两种结合使得一种叫做RNA聚合酶的酶能够在基因上产生并复制它。

该拷贝被稍微处理，然后作为信使RNA(mRNA)进入细胞质。在那里，细胞机器使用mRNA指令来创建具有特定工作的蛋白质：例如，催化代谢反应，或感测来自细胞外的化学信号。

这本教科书的内容是正确的，但它提出了许多问题：什么告诉给定的基因打开或关闭?转录因子如何找到合适的结合位点?一个基因如何知道mRNA的含量是多少?增强剂如何影响基因活动，因为它们可能是基因本身的一百万个DNA构建块?

几十年来，科学家们只能使用直接和间接的工具来探究这些问题。关于DNA，RNA和蛋白质的想法来自研磨细胞和分离组分。然后，在20世纪80年代，科学家开始使用一种称为FISH(荧光原位杂交的简称)的改变游戏规则的技术直接在细胞中观察DNA和RNA。其他方法 - 显微镜具有更好的分辨率，新的方式来标记(并因此跟踪)这个分子交响乐中的玩家。研究人员可以详细解析转录。

霍华德休斯医学研究所位于弗吉尼亚州的Janelia研究园区的分子生物学家刘哲说，之前，就像是通过观看管弦乐队的静态图片来试听交响乐。“你永远不会弄清楚他们在玩什么，”他说。“你永远无法体会到交响乐是多么美丽。”

以下是分子生物学家通过窥探这一关键的纳米过程 - 在生命细胞中实时越来越多地实验 - 来了解分子生物学家正在学习的东西。

转录因子的生命和时间

虽然科学家们早就知道转录因子决定了一个基因是否能够启动，但是这些蛋白质如何通过细胞核中可笑的拥挤空间来寻找它们的结合位点是神秘的。

考虑到，解开，人类细胞中的DNA将长达一米或两米。核心的直径约为5到10微米，因此我们基因组的包装类似于填充一根绳子，可以在鸡蛋周围绕地球包裹10次，刘说。

研究人员刚刚开始研究这种卷曲和循环如何影响基因转录。一方面，他们怀疑它可以帮助解释增强剂如何能够从远距离影响基因的活动 - 因为当遗传物质被捆绑起来时，DNA延伸的远处可能会更接近。

如果转录因素知道它们的进展情况似乎是不可思议的，那么它们中的大部分都不会。通过随着时间的推移在单个细胞中追踪这些蛋白质，研究人员发现，他们的生命中有97%的时间都在摇摆不定，从他们遇到的任何DNA中蹦出来，直到他们幸运。(一些类型可能充当领导者，扫描基因组，锁定目标并为更大的包装设置正确的条件。)

人们可以想象，至少，当一个转录因子最终找到它的结合位点时，它可能会停滞不前并且可以工作几个小时。科学家过去常常相信死亡，保存的细胞。

但对活细胞的研究表明，这远非如此。Liu的实验室和其他人在过去五年中已经证明转录因子只能在几秒钟内结合，并且它们的高浓度聚集在结合位点附近，帮助彼此凝聚。“令人难以置信的是转录因子实际上是如何起作用的，”刘说。

其中有很多：哺乳动物中高达10%的基因带有制作不同口味的基因的说明。最近的证据表明，这为细胞提供了巨大的精确度。对于任何给定的基因，转录因子的不同组合可以增加或夯实过程，可能使系统精确可调。

联系聚合酶派对

如果转录因子是油门踏板和制动器，则发动机是RNA聚合酶。在基本模型中，RNA聚合酶将基因的两条链拉开，然后将它们中的一条切下来制作它的mRNA拷贝。事实证明事情是一件更复杂的事情。

对捣碎和保存细胞的研究表明，许多聚合酶分子聚集在一起，使这种mRNA神奇发生。但是没有人见过活细胞中的这种丛，所以没有人知道如何或何时 - 或者甚至 - 是否形成了团块。通过将荧光化学标签附着在活细胞中的RNA聚合酶上，研究人员将多个聚合酶重复组合在一起约5秒钟- 然后散射。

去年，同一个科学家团队发现其他蛋白质的聚集，因为他们聚集在一起帮助RNA聚合酶发挥作用。这些被称为介体蛋白质的野兽形成了数百个巨型簇，这些簇聚集在DNA上的RNA聚合酶上。

这两个小嘎嘎似乎集中在不同的水滴中，就像水中的油滴一样。然后他们融合，或许创造了一种自组装，封锁的转录磨。从中吸取教训?“除了生物化学之外，所有这些物理现象都可能在告诉我们如何开启基因方面发挥作用，”负责这项工作的麻省理工学院的生物物理学家IbrahimCissé说。

信使RNA是适合和开始的

几十年来，研究人员认为，当一个基因处于活跃状态时，转录只会进入“开启”模式并以稳定的方式曲解mRNA。但是，一种名为MS2标记的突破性技术，最初于1998年开发并仍然被广泛使用，从根本上改变了这种观点。

由纽约阿尔伯特爱因斯坦医学院的细胞生物学家和显微镜学家罗伯特辛格及其同事发明，MS2标记使得科学家们第一次能够看到活细胞中的mRNA。(该方法的主要成分来自一种名为MS2的病毒 - 因此该技术的名称。)

简而言之，科学家使用工程技巧，以便由特定基因制成的mRNA具有独特的结构，称为茎环。通过第二个技巧，这些茎环位置被发光荧光，因此研究人员可以在制作时以及在显微镜和实时显示的任何地方，从他们选择的基因中“看到”mRNA。

辛格在生物物理学年度评论中共同撰写了2018年关于mRNA成像的文章，他使用MS2标记与他的同事们一起表明，基因mRNA的产生率在25分钟左右内波动很大。事实证明，这些爆发的大小变化不大，但它们的频率确实如此，而这就决定了基因如何能够泵出其mRNA产物。增加或减少这种转录“爆发”的速率可以使系统增加或减慢基因的活性以满足细胞的需要。

研究人员认为，转录因子的开关动力学，即它们在结合位点上下弹出的速率，以某种方式调节转录突变。但他们还不知道如何。

徒步走向翻译

制造mRNA只是基因支撑它的第一步。接下来翻译该mRNA中的指令以制造蛋白质。为了实现这一点，mRNA必须从核中移出并进入蛋白质制造工厂所在的细胞质。

科学家们认为，细胞的分子机器将mRNA小心地运送到细胞核膜上，然后将其泵入细胞质。使用相同的MS2方法，辛格的实验室发现并非如此。相反，mRNA会反弹- “像一群愤怒的蜜蜂一样在核中嗡嗡作响”，正如辛格所说的那样 - 直到它们碰巧碰到核膜上的毛孔。只有这样，细胞的机器才会抬起一根手指并主动穿过这个门。

最近，辛格及其同事创造了突变小鼠，使他们能够观察到mRNA穿梭于神经细胞的微妙树突中，这些树枝是从其他神经接收信号的结构。该团队甚至不得不监视行动中的记忆。他们追踪的mRNA带有制作蛋白质-β-肌动蛋白的指令，这种蛋白质在神经细胞中很丰富，并被认为有助于在大脑中记忆时加强联系。在一个看起来像夜间道路网络的视频中，在神经细胞被激活后的10分钟内，mRNA被巡航到与其他神经接触的点，准备好肌动蛋白生成以支撑这些神经 - 神经连接。