DNA蛋白质机器如何碰撞并停止复制

Houra Merrihk在她的微生物实验室，她和她的团队研究细菌DNA复制以及突变是如何发生的。 Merrihk实验室
一项新的研究描述了染色体上的蛋白质机器之间的正面碰撞如何破坏DNA复制，并提高基因突变的速率，帮助细菌在敌对环境中生存，抵抗抗生素和免疫防御的钝性攻击。

这项研究出现在“ 细胞 ”期刊上。 阅读文件。 西雅图华盛顿大学医学院微生物学助理教授

Houra Merrikh领导该研究小组。 

她说，研究结果表明，这些正面碰撞是细菌通过加速关键基因突变来控制其进化过程的一部分。

Merrikh说：“这些碰撞可以作为一种机制，在细菌生活中至关重要的条件下促进适应，例如适应环境压力，或者在致病细菌的情况下，适应宿主细胞内感染的条件。

研究人员研究了两种类型的分子机器之间发生的碰撞，这些机器是大型蛋白质复合体，当他们“读取”染色体DNA序列中编码的基因指令时，沿着染色体爬行。 

被称为RNA聚合酶的这些机器之一使用编码在基因中的说明来组装称为信使RNA（被称为mRNA）的RNA链。细胞将使用这个链作为模板来合成蛋白质，这个过程叫做转录。 

另一台机器的工作称为复制（replisome），是在细胞分裂过程中复制染色体，这个过程称为复制。这给细胞的后代自己的染色体。在每个这些过程中，必须打开双链DNA的两条链，以便可以读取含有遗传密码的DNA序列。

因为大多数基因都是以复制为导向的，所以这些机器通常沿着染色体的方向走向相同的方向。由于复制体行进得更快，它们有时会超过较慢的RNA聚合酶并导致追尾碰撞。 

虽然这些冲突可能会干扰复制，但破坏通常很小。在这些情况下，细胞有机制来迅速解决这些问题。

但是，有一些基因在染色体内“向后”编码。当这些基因需要表达时，RNA聚合酶必须以相反的方向行进，并发生RNA聚合酶和复制体之间的正面碰撞。 

这些正面碰撞对复制和转录具有更大的影响。它们也增加了这些“向后”基因中遗传错误的频率。

先前的研究表明，两台机器实际上是直接接触，或者当它们相互靠近时，两台机器之间的DNA会扭曲成紧密的线圈，从而检查它们的进展。 

虽然这些可能是因素，但在新的研究中，UW研究人员证明，另一种机制可能解释为什么正面碰撞如此具有破坏性，以及如何增加某些基因突变的形成。 

研究人员发现，当这些碰撞发生时，由RNA聚合酶组装的信使RNA链实际上与其背后的一条DNA链结合。那个链在转录过程中被打开了。这种结合产生了RNA：DNA杂合体，称为R环（用于RNA环），其有效地阻止了复制。 

研究人员发现，这种封锁非常有效，没有除去R-环的酶，细菌就会死亡。

但是，为什么这些落后的基因存在，如果他们构成这样的威胁呢？事实证明，这些正面基因中的大多数是在细菌受到压力时开启的基因，例如当它们暴露于恶劣的环境中时。 

Merrikh和她的同事们假设，在这些高压情况下，正面碰撞会增加这些应激反应基因的突变。其中一些突变会增加细菌后代在未来类似条件下存活和繁殖的机会。

Merrikh实验室的博士后Kevin Lang和这项研究的第一作者说，这个机制似乎是一个折衷：细菌认为，虽然正面碰撞破坏了复制并增加了有害的突变，但它们也促进了潜能在关键基因中进行有益的突变，使其能够在困难条件下生存。 他解释说：“ 

我们研究的细菌之一，单核细胞增生李斯特菌，可以生活在各种环境中，如冰箱里的咸味食物，或感染细胞的时候。”为了在这么多的地方生存下来，能够迅速演变和发展。“

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