Transkriptionell sprängning

Transcriptional bursting , även känd som transcriptional pulsing , är en grundläggande egenskap hos gener där transkription från DNA till RNA kan ske i "bursts" eller "pulser", som har observerats i olika organismer, från bakterier till däggdjur.

Upptäckt av fenomenet

Detta fenomen uppenbarade sig med tillkomsten av teknologier, såsom MS2-taggning och enkelmolekylär RNA- fluorescens in situ-hybridisering , för att detektera RNA-produktion i enstaka celler, genom exakta mätningar av RNA-antal eller RNA-utseende vid genen. Andra, mer utbredda tekniker, såsom Northern blotting , mikroarrayer , RT-PCR och RNA-Seq , mäter bulk-RNA-nivåer från homogena populationsextrakt. Dessa tekniker förlorar dynamisk information från enskilda celler och ger intrycket att transkription är en kontinuerlig smidig process. Observerad på en individuell cellnivå är transkriptionen oregelbunden, med starka perioder av aktivitet varvat av långa perioder av inaktivitet.

Mekanism

Sprängning kan bero på den stokastiska naturen hos biokemiska händelser överlagrade på en tvåstegsfluktuation. I sin enklaste form föreslås genen existera i två tillstånd, ett där aktiviteten är försumbar och en där det finns en viss sannolikhet för aktivering. Endast i det andra tillståndet sker transkription lätt. Det verkar troligt att vissa rudimentära eukaryoter har gener som inte spricker. Generna är alltid i det tillåtande tillståndet, med en enkel sannolikhet som beskriver antalet genererade RNA.

Nyare data indikerar att tvåtillståndsmodellen kan vara en överförenkling. Transkription av c-Fos-genen som svar på serumstimulering kan för det mesta sammanfattas av två tillstånd, även om vid vissa tidpunkter efter stimulering förklarar ett tredje tillstånd bättre variansen i data. En annan modell föreslår att en tvåtillståndsmodell kan tillämpas, men med varje cell som har en annan transkriptionshastighet i det aktiva tillståndet. Andra analyser indikerar ett spektrum eller kontinuum av aktivitetstillstånd. De nukleära och signalerande landskapen av komplexa eukaryota kärnor kan gynna mer än två enkla tillstånd - till exempel finns det över flera dussin post-translationella modifieringar av nukleosomer och kanske hundra olika proteiner involverade i den genomsnittliga eukaryota transkriptionsreaktionen.

Vad representerar de repressiva och tillåtande staterna? En attraktiv idé är att det undertryckta tillståndet är en sluten kromatinkonformation medan de tillåtande tillstånden är mer öppna. En annan hypotes är att fluktuationerna mellan tillstånd återspeglar reversibla övergångar i bindningen och dissocieringen av pre-initieringskomplex. Bursts kan också bero på sprängsignaler, cellcykeleffekter eller rörelse av kromatin till och från transkriptionsfabriker . Sprickdynamik har visat sig påverkas av cellstorlek och frekvensen av extracellulär signalering. Nya data tyder på olika grader av supercoiling som skiljer de tillåtande och inaktiva tillstånden.

Det bristande fenomenet, i motsats till enkla probabilistiska modeller för transkription, kan förklara den höga variabiliteten (se transkriptionsbrus ) i genuttryck som förekommer mellan celler i isogena populationer. Denna variation kan i sin tur ha enorma konsekvenser på cellbeteende och måste mildras eller integreras. Föreslagna mekanismer genom vilka brus kan dämpas inkluderar stark extracellulär signalering, diffusion av RNA och protein i cellsyncitia, proximala pauser av promotor och nukleär retention av transkript. I vissa sammanhang, såsom mikrobers överlevnad i snabbt föränderliga stressiga miljöer, kan uttrycksvariabiliteten vara väsentlig. Variabilitet påverkar också effektiviteten av klinisk behandling, där bakteriers resistens mot antibiotika bevisligen orsakas av icke-genetiska skillnader. Liknande fenomen kan bidra till att subpopulationer av cancerceller är motståndskraftiga mot kemoterapi. Spontan variabilitet i genuttryck föreslås också fungera som en källa till cellödesmångfald i självorganiserande differentieringsprocesser, och kan fungera som en barriär för effektiva cellulära omprogrammeringsstrategier.