RNAポリメラーゼがDNAを解く瞬間を捉える新技術

前例のない視点

ダースト博士は、細菌のRNAPの構造を初めて記述した人物であり、その詳細な研究は彼の研究室の主要な焦点となっています。RNAPが特定のDNA配列に結合することで一連のステップが引き起こされ、バブルが開かれることは長年知られていましたが、RNAPがどのようにしてDNAの鎖を分離し、一方の鎖を活性部位に配置するかは長らく議論の的となっていました。

初期の研究では、バブルの開口がプロセスの重要な遅延要因であり、RNAPがRNA合成に移行する速度を決定するとされていました。しかし、後の結果はこの見解に挑戦し、この速度制限ステップの性質について複数の理論が浮上しました。

共同著者であるアンドレアス・ミュラー博士（Andreas Mueller, PhD）は、「RNAPが最初にDNAと遭遇すると、一連の高度に調整された中間複合体を形成することが他の生物学的手法からわかっていましたが、このプロセスは1秒以内に発生するため、その構造を捉えることはできませんでした」と述べています。

この中間複合体をよりよく理解するために、チームはニューヨーク構造生物学センターの同僚と協力し、クライオ電子顕微鏡分析のために迅速に生物学的サンプルを準備できるロボットインクジェットシステムを開発しました。このパートナーシップにより、RNAPとDNAが結合してから最初の100〜500ミリ秒の間に形成される複合体を捉え、詳細な解析が可能な画像を得ることができました。

位置決めのプロセス

これらの画像を検討することで、DNA鎖が分離する際にRNAPがどのように相互作用するかについて、これまでにない詳細なレベルでのイベントのシーケンスが明らかになりました。DNAが解けると、RNAPは二重らせんが再結合するのを防ぐために一方のDNA鎖を徐々に握りしめます。新しい相互作用が発生するたびに、RNAPの形状が変化し、より多くのタンパク質-DNA結合が形成されます。これには、DNAがRNAPの活性部位に入るのを妨げるタンパク質の一部を押し出すことが含まれます。こうして安定したトランスクリプションバブルが形成されます。

研究チームは、転写の速度制限ステップがRNAP酵素の活性部位内でDNA鋳型鎖を位置づけることである可能性を提案しています。このステップは、かなりのエネルギー障壁を克服し、いくつかのコンポーネントを再配置することを伴います。今後の研究では、この新しい仮説を確認し、転写の他のステップを探ることが目指されます。

「この研究では、最も初期のステップだけを見ました」とミュラー博士は述べています。「次に、他の複合体、後のタイムポイント、および転写サイクルの追加のステップを調べる予定です。」

DNA鎖がどのように捕らえられるかについての相反する理論を解決することに加えて、これらの結果は、ミリ秒単位でリアルタイムで分子イベントを捉えることができる新しい手法の価値を強調しています。この技術は、生物システムにおける動的相互作用を視覚化する多くの研究を可能にします。

「生命の最も基本的なプロセスの1つを理解したいのであれば、それがどのように進行し、その速度がどのように制御されているかを理解する必要があります」とダースト博士は述べています。「それがわかれば、転写がどのように始まるかについて、はるかに明確な絵が描けるでしょう。」

この研究は、RNAポリメラーゼ（RNAP）がDNAの転写バブルを開く瞬間をミリ秒単位で捉え、遺伝子発現の基本メカニズムに関する新たな知見を提供しました。特に、RNAPがDNA鎖をどのようにして分離し、活性部位に配置するかについての詳細が明らかにされ、今後の研究においてもこの手法が重要な役割を果たすことが期待されます。新しい技術により、生物システムにおける動的相互作用をリアルタイムで視覚化することが可能になり、生命の基本的なプロセスの理解が深まることが期待されます。

画像：RNAポリメラーゼがDNAと出会うときに形成される中間複合体の図

[News release] [Nature Structural & Molecular Biology abstract]