世界首部"分子电影"实时见证 DNA 成为生命蓝图

利用创新方法，EMBL 的科学家们发现了分子机器之间的关键相互作用，为药物开发开辟了新途径。研究人员首次拍摄了一部实时分子电影，展示了转录和翻译这两个重要的细胞过程是如何在细菌中相互作用的。

海德堡 EMBL 实验室的 Duss 小组利用单分子多色荧光显微镜拍摄了一部影片，影片显示了细菌 RNA 聚合酶（标有粉红色球体）和核糖体（标有绿色球体）在同一个 mRNA 分子（球体之间的白线）上的相互作用。 图片来源：Isabel Romero Calvo/ EMBL

在所有生物体中，DNA包含定义细胞结构和功能的代码。 一种名为RNA聚合酶的酶能破译这种代码，并将其转化为 RNA，一种与 DNA 非常相似的分子。 这种将生命代码从 DNA 转为 RNA 的过程称为转录。 接下来，一种名为"核糖体"的分子机器利用 RNA 中编码的信息来构建蛋白质--这种分子能发挥细胞的大部分基本功能。 这个过程被称为翻译。

这段视频总结了我们目前是如何了解转录和翻译是如何在物理和功能上相互耦合的。 利用多色单分子荧光显微镜，我们同时追踪了转录和翻译的伸长以及 RNA 聚合酶和核糖体之间的耦合。 我们看到单个核糖体与 RNA 聚合酶碰撞后如何减速，以及它们如何通过长程物理耦合激活 RNA 聚合酶。 图片来源：EMBL

"在细菌细胞中，转录和翻译是在同一个细胞区进行的，"海德堡 EMBL 小组组长、新研究的资深作者 Olivier Duss 解释说。"在人类细胞中，转录是在细胞核中进行的，细胞核是储存DNA的地方，与细胞的其他部分由一层膜隔开。 然后，转录的 RNA 被转运到细胞核外，翻译成蛋白质，这完全是在细胞质（细胞核周围的细胞区）中进行的。 细菌细胞的细胞结构要简单得多，而且没有细胞核，因此转录和翻译不仅可以在同一地点同时进行。"

科学家以前曾将转录和翻译描述为单一过程，但对二者如何相互作用却不甚了解。 部分原因是这些研究依赖于冷冻电子显微镜等技术，而冷冻电子显微镜需要冷冻样本，因此只能提供过程的快照。

捕捉分子相互作用的先进工具

杜斯研究小组利用单分子技术、结构生物学和生物化学来了解参与重要细胞功能的大型分子机器是如何相互合作的。

为了研究翻译和转录是如何协同工作的，由研究科学家努斯拉特-库雷希（Nusrat Qureshi）共同领导的研究小组人工再造了这些过程所需的细胞环境。 这样，他们就可以利用一种叫做单分子多色荧光显微镜的技术，密切跟踪核糖体和RNA聚合酶每次一对相互作用的动态。

简单地说，这种技术的工作原理是用小型化学物质标记 RNA 聚合酶和核糖体，这些化学物质就像接近传感器一样。 当这两种分子相互作用时，它们就会发出荧光显微镜可以捕捉到的信号。 当它们停止相互作用时，信号就会消失。

借此，科学家们捕捉到了 RNA 聚合酶和核糖体之间几分钟的动态相互作用。 他们有史以来第一次可以通过显微镜同时观察转录和翻译的过程。

"我们终于可以观察整个过程了，我感到非常兴奋，"杜斯说。"我们可以将这些快照付诸行动，这让我们更好地了解这两个机器是如何合作的。 把这一切放在一起，我们就能开始看到新出现的行为，而这些行为是无法以其他方式预测的。"

科学家们发现的其中一种新兴行为是，RNA聚合酶和核糖体即使相隔很远，也能通过一段相当长的环状RNA进行交流。

在这种情况下，这两台分子机器就像一对被长绳拴住的登山者。 绳子松到足以防止相互碰撞，但又紧到足以让每个登山者在需要时帮助对方。

研究小组还观察到，当翻译同时进行时，转录的效率更高。 换句话说，当一个活跃的 RNA 聚合酶在同一个 RNA 分子上跟着一个正在进行的核糖体时，其生产率就会更高。

"能够观察到这些过程是如何协同工作的，是一件非常美妙的事情。 任何在团队中工作的人都知道协作的重要性，"杜斯说。"如果每个人都想单打独斗，效率就会大大降低。 细胞的分子机器似乎也知道这一点。"

对抗生素开发的影响

虽然这项研究的重点是人工设置中的孤立分子，但杜斯研究小组现在正准备将他们对这一过程的理解扩展到活细胞中。 作为最近获得的欧洲共同体研究理事会综合资助金的一部分，他们还计划在研究中加入更多的细胞过程，以了解"攀爬"协调是否不仅仅涉及两个伙伴。

在抗生素耐药性成为重要健康问题的今天，揭示细菌的基本细胞机制是如何工作的，为开发对抗细菌病原体的新方法铺平了道路。 研究人员有可能超越标准抗生素，通过合作针对两个细胞机器而不是仅仅针对一个细胞机器来防止抗药性问题。

"这项工作是一个很好的例子，从更广的角度说明了基础研究的重要性，"杜斯说。"基础研究有助于我们了解生物学是如何工作的，然后转化为新的发现，如新型药物、先进的治疗方法和更好的机会"。

这项新研究发表在《自然》杂志上。

编译自/ScitechDaily

DOI: 10.1038/s41586-024-08308-w