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神奇的设计-如何规划基因转录与基因组DNA复制 (热点问题系列之20)

已有 867 次阅读 2022-10-24 06:22 |个人分类:Science in action|系统分类:观点评述

   众所周知,分子生物学著名的“中心法则”揭示,可遗传的生命信息储存在“DNA分子上的碱基的排列顺序中”(既可以是线性,也可以是空间立体),这样的“遗传信息”需要通过一种被称为“信使”的mRNA分子“忠实”地转移至mRNA的碱基排列顺序中(当然有mRNA突变,不忠实转录),我们现在需要进一步搞清楚的是这种“基因转录”需要如何管控,是集中在细胞周期的一个特定的时间段?还是可以在细胞周期的所有时间均可以进行?

   当然,我们可以凭借经验性感觉就会否定后一种设计,即如果在DNA复制完成之后的G2和M期非要进行基因转录,这肯定是困难的,因为这些时间段DNA分子结构倾向于“高度压缩”,即使得RNA转录面临极其困难的DNA构象障碍!话也不能说的太绝对,至少对于处于G1和S时相的DNA, 这两个时间段内基因转录是否都在进行?还是如我们通常认为的那样,细胞周期的G1时相是基因转录的最适时间,而一旦细胞进入DNA复制的时间段,S期后基因转录就让位给DNA复制了?

   在本系列之先前的介绍中,我们讨论了细胞在DNA复制过程中,为了不向子链中掺入rNTP的管理和设计策略,即最大可能增加dNTPs分子数,而出了S期会最大可能降低dNTPs的分子数。依据这个管理策略,我们可以怀疑在DNA复制的S时相,有可能并不容许基因的高强度转录,因为此时的基因转录极有可能在RNA分子中混入dNTPs, 而且就目前的了解,负责mRNA转录的RNA聚合酶II的“校对”错误掺入的核糖核酸和脱氧核糖核酸的能力并不强(没有类似DNA复制酶一样的3'-5'外切酶,也没有强大的碱基错配对修复体系)。那么,在高水平dNTPs“干扰”的情况下,基因转录好?还是不转录或尽可能地少转录好?

   毋需置疑,基因转录和承载“基因”的DNA复制如果不进行“精心”规划,那么会引发极其严重的“灾难”!包括,复制叉与转录泡要么“追尾”,要么“迎头相撞”!

生命究竟如何管理和设计才能从根本上避免上述灾难发生?

一、基因转录和DNA复制分开管理

    依据细胞对rNTP和dNTP的管理策略,最适宜的设计思路是在细胞周期的S时相杜绝基因转录。但如何实施?一种有效的办法是通过降低ori遴选必需的ORC1。这种策略保障即使DNA的拓扑结构有利于组装前复制复合体(prereplication complex),却缺乏与相应DNA拓扑结构结合的ORC蛋白组分,从而避免在转录过程中出现DNA复制。另一种方式是通过能荷(Energy Charge)进行控制,主要控制“指令”,通过降低ATP水平,降低与DNA复制相关的蛋白质的“活动力”,如原核细胞中的DnaA和真核细胞中的ORC1等等,这种控制策略不需要预先降低有关蛋白质分子数,只需降低其所需要的ATP。这种通过能荷控制策略的好处在于“人为”地“强化”细胞内的“分解代谢”,使细胞“误以为” 繁殖自我的条件尚不具备,使之处于生长状态,即通常的G1时相。

   上述两种情况可能都过Screenshot_20221024-085740_Baidu.jpg于一厢情愿。2015年之后的研究似乎支持一种“设计”方案,综合染色质的3-D域组织、基因转录启动子在域结构中的存在状态,以及诸如CG序列或碱基成分的分布,发现如果那些足以形成G四柱体(G-Quartduplex)的基因启动子区,不完全转录的RNA有助于引导ORC1的结合,这种发现似乎充满了“机巧”,一方面,这种“不完全基因转录”很容易发生在G1期的末期,而且基因转录泡儿就已经是被打开了的DNA, 而源于不完全转录的RNA 非常适合于作为“前导链复制”的RNA引物,这也可以帮助我们理解为什么无论是原核还是真核生物DNA复制所需要的“引物酶”(通过进化而来的一种RNA聚合酶,与拓扑异构酶在结构上更加保守,却与其他RNA聚合酶不属于同一祖先))总是“习惯性”地与“后随链”结合的DNA复制解旋酶结合(在原核以DnaBG形式出现,其中DnaG为引物酶,DnaB为复

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制解旋酶;而在真核生物细胞内则以DNA聚合酶alpha和引物酶绑定在一起出现在后随链     这恰好解决了人们的一个“关切”,即DNA复制叉内前导链的RNA引物究竟从何而来?同样是在2015年,西班牙的科学家发现在重复DNA序列区,受DNA序列非结构“干扰”的基因转录所“生产”的RNA会最终成为DNA复制的“引物”,而在此九年前的2006年

我本人就预料到这种情况会存在于与50多种人类神经肌肉退行性疾病患者的病理过程中,只是我所有的实验条件未能助我“演示”这个过程,而被西班牙朋友在9年后得到证实(在此不再详述)。

二、基因转录可以和DNA复制同时进行

  说句公道话,即使基因转录在基因组DNA复制过程中进行转录,也需要转录位点尽可能“躲开” 复制叉。这就同同一轨道上运行的火车,不能追尾,也不能迎头相撞。那么最好的办法是不在同一轨道上跑两列车,或“短程”的基因转录“列车”在“长途”的复制叉“列车”到来之前“退出”。事实上这种策略更适合于原核生物基因组,而真核生物基因组的DNA复制列车是“多起点分段复制,由细胞周期检查点机制(关卡机制,Checkpoint)从“全局”层面加以监控。

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   当前,已有很多的研究报道表明在基因组DNA复制过程中,基因转录是可以发生的,而且与多点启动的DNA复制叉是存在“追尾”(转录泡和复制叉同方向移动,而且转录泡中的RNA复制酶属于“慢车”,而复制叉中的DNA复制酶属于“快车”),或干脆当这些车同向运行时发生迎头相撞! 细胞是如何尽量减少“列车” 追尾或相撞的?又是如何解决复制叉和转录泡“追尾”和“迎头相撞”对基因组稳定性所可能造成不良影响? 诸如此类的问题正作为当今分子生物学“基因转录和基因组DNA复制”的热点被深度研究。

  现有的研究结果给人印象深刻的是:

   1、基因转录的开放阅读框(ORF, open reading frame)的组织结构本身对DNA复制叉和转录泡的“取向”有影响。比如3' 启动子区及5'终止区(termination site)参与DNA局部复制和基因转录方向的同向协调;2、因一些原因使基因转录中形成的RNA:DNA杂交体中的RNA大概率用于DNA复制起始位点的确定及组织前复制复合体(prereplication complex), 有可能这种RNA被随即用于“引导”DNA复制叉中“前导链(Leading strand template)”的DNA复制延伸; 3、基因转录与DNA复制冲突有可能是包括癌症在内的某些基因组不稳定起因的人类疾病的分子病理基础等。

(经过与百度沟通,最终百度放行了一部分内容)



https://m.sciencenet.cn/blog-218980-1360643.html

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