כל תא חי מתמלל DNA ל-RNA. תהליך זה מתחיל כאשר אנזים הנקרא RNA פולימראז (RNAP) נצמד ל-DNA. בתוך כמה מאות אלפיות שניות, הסליל הכפול של ה-DNA מתפרק ליצירת צומת המכונה בועת התעתיק, כך שניתן להעתיק גדיל DNA אחד חשוף לגדיל RNA משלים.
כיצד RNAP משיג את ההישג הזה אינו ידוע במידה רבה. תמונת מצב של RNAP בפעולה של פתיחת הבועה הזו תספק שפע של מידע, אבל התהליך קורה מהר מדי מכדי שהטכנולוגיה הנוכחית תוכל ללכוד בקלות הדמיות של מבנים אלה. עכשיו, מחקר חדש ב טבע ביולוגיה מבנית ומולקולרית מתאר E. coli RNAP בפעולה של פתיחת בועת התעתיק.
הממצאים, שנלכדו תוך 500 אלפיות שניות של ערבוב RNAP עם DNA, שופכים אור על מנגנונים בסיסיים של שעתוק, ועונים על שאלות ארוכות שנים על מנגנון ההתחלה וחשיבות השלבים השונים שלו. "זו הפעם הראשונה שמישהו הצליח ללכוד מתחמי שעתוק חולפים כשהם נוצרים בזמן אמת", אומרת הסופרת הראשונה רות סאקר, מומחית מחקר במעבדתו של סת' דארסט ברוקפלר. "הבנת התהליך הזה חיונית, מכיוון שהוא שלב רגולטורי מרכזי בביטוי גנים."
נוף חסר תקדים
דארסט היה הראשון שתיאר את המבנה של RNAP חיידקי, והקנטת הנקודות העדינות שלו נותרה מוקד מרכזי במעבדתו. בעוד שעשרות שנים של עבודה קבעו שקשירת RNAP לרצף ספציפי של DNA מפעילה סדרה של שלבים שפותחים את הבועה, האופן שבו RNAP מפריד בין הגדילים וממקם גדיל אחד באתר הפעיל שלו נותר ויכוח חריף.
עבודה מוקדמת בתחום העלתה שפתיחת בועות פועלת כהאטה קריטית בתהליך, ומכתיבה כמה מהר RNAP יכול לעבור לסינתזת RNA. תוצאות מאוחרות יותר בשטח ערערו את ההשקפה הזו, ותיאוריות מרובות הופיעו לגבי אופיו של צעד מגביל קצב זה. "ידענו מטכניקות ביולוגיות אחרות שכאשר RNAP נתקל לראשונה ב-DNA, הוא יוצר חבורה של קומפלקסים ביניים בעלי וויסות גבוה", אומר מחבר שותף אנדריאס מולר, עמית פוסט-דוקטורט במעבדה. "אבל החלק הזה של התהליך יכול לקרות תוך פחות משנייה, ולא הצלחנו לתפוס מבנים בטווח זמן כה קצר".
כדי להבין טוב יותר את מתחמי הביניים הללו, הצוות שיתף פעולה עם עמיתים במרכז הביולוגיה המבנה של ניו יורק, שפיתחו מערכת רובוטית מבוססת הזרקת דיו שיכולה להכין במהירות דגימות ביולוגיות לניתוח מיקרוסקופי קריו-אלקטרון. באמצעות שותפות זו, הצוות לכד קומפלקסים שנוצרו ב-100 עד 500 מילישניות הראשונות של RNAP פגישת DNA, והניב תמונות של ארבעה קומפלקסים ביניים שונים בפירוט מספיק כדי לאפשר ניתוח.
בפעם הראשונה, תמונה ברורה של השינויים המבניים וחומרי הביניים שנוצרים בשלבים הראשוניים של קשירת RNA פולימראז ל-DNA התמקדה.
הטכנולוגיה הייתה חשובה ביותר לניסוי זה. ללא היכולת לערבב DNA ו-RNAP במהירות וללכוד תמונה שלו בזמן אמת, התוצאות האלה לא קיימות".
רות סאקר, מחברת ראשונה
נכנסים לעמדה
לאחר בחינת התמונות הללו, הצוות הצליח לשרטט רצף של אירועים המראה כיצד RNAP מקיים אינטראקציה עם גדילי ה-DNA כשהם נפרדים, ברמות פירוט שלא נראו בעבר. כאשר ה-DNA מתפרק, RNAP אוחז בהדרגה באחד מגדילי ה-DNA כדי למנוע מהסליל הכפול לחזור יחדיו. כל אינטראקציה חדשה גורמת ל-RNAP לשנות צורה, מה שמאפשר להיווצר יותר חיבורי חלבון-DNA. זה כולל דחיפת חלק אחד של חלבון שחוסם DNA מלהיכנס לאתר הפעיל של RNAP. כך נוצרת בועת תעתיק יציבה.
הצוות מציע שהשלב המגביל את הקצב בתעתיק עשוי להיות מיקום גדיל תבנית ה-DNA בתוך האתר הפעיל של האנזים RNAP. שלב זה כולל התגברות על מחסומי אנרגיה משמעותיים וסידור מחדש של מספר מרכיבים. מחקר עתידי ישאף לאשש השערה חדשה זו ולחקור שלבים אחרים בתמלול.
"בדקנו רק את השלבים המוקדמים ביותר במחקר הזה", אומר מולר. "לאחר מכן, אנו מקווים להסתכל על מתחמים אחרים, נקודות זמן מאוחרות יותר ושלבים נוספים במחזור התמלול."
מעבר לפתרון תיאוריות סותרות לגבי אופן לכידת גדילי DNA, תוצאות אלו מדגישות את הערך של השיטה החדשה, שיכולה ללכוד אירועים מולקולריים המתרחשים תוך אלפיות שניות בזמן אמת. טכנולוגיה זו תאפשר מחקרים רבים נוספים מסוג זה, שיסייעו למדענים לדמיין אינטראקציות דינמיות במערכות ביולוגיות.
"אם אנחנו רוצים להבין את אחד התהליכים הבסיסיים ביותר בחיים, משהו שכל התאים עושים, אנחנו צריכים להבין איך מווסתות ההתקדמות והמהירות שלו", אומר דרסט. "ברגע שנדע את זה, תהיה לנו תמונה הרבה יותר ברורה כיצד מתחיל התמלול."
