新的理论模型验证了实验结果

一组从事理论和实验交叉工作的物理学家正在揭示分子马达的“团队合作”——称为 RNA 聚合酶 (RNAP)——介导 DNA 转录。在转录过程中，基因表达的第一步，RNAP 会“读取”DNA 序列并组装信使 RNA (mRNA)，后者又作为生命必需蛋白质的模板。

该团队包括主要作者 Purba Chatterjee，最近获得伊利诺伊州物理学博士学位。研究生，现为宾夕法尼亚大学博士后研究员;伊利诺伊州物理学名誉研究教授 Nigel Goldenfeld，现任加州大学圣地亚哥分校物理学杰出教授;和伊利诺伊州物理学教授 Sangjin Kim 介绍了一个新的理论模型，阐明了 DNA 中的超螺旋机制如何成为同时在 DNA 上进行转录易位的 RNAP 集体动力学的基础。RNAPs 动力学从合作模式切换到对抗模式，以响应细胞的需要。

这些发现于 2021 年 11 月 16 日发表在《物理评论快报》杂志上的文章“DNA 超螺旋驱动基因合成集体模式之间的过渡”中。

在转录过程中，当通过将螺旋的一部分解压缩成两条链而引入扭转应力时，DNA 超螺旋发生，其中一条将被转录。研究人员的工作首次揭示了模拟扭转下转录的两个基本要素：首先，众所周知的影响 RNAP 启动转录速率的转录因子也可以控制 DNA 超螺旋的传播，其次，存在的 RNAP 会影响单个 RNAP 所经历的扭转应力。

Goldenfeld 解释说，“超级螺旋对于任何曾经与花园软管或过去的电话线搏斗的人来说都是熟悉的。半刚性管，或者在这种情况下，螺旋难以折叠，它们弯曲成局部缠结 - 环“它看起来像八字形或更糟。生物学在活细胞内的 DNA 分子水平上与相同的几何问题作斗争。”

一旦 RNAP 启动转录，它就会沿链易位，组装 mRNA 的互补链。招募额外的 RNAP，每个 RNAP 沿着相同的 DNA 片段启动 mRNA 合成。随后的 RNAP 启动的速率通常由转录因子控制，转录因子是一种与 RNAP 启动转录位置的 DNA 位点结合的蛋白质。

先前的实验和理论研究预测，转录过程中 RNAPs 沿 DNA 易位的速度随着活跃转录相同序列的 RNAPs 的数量而增加，但在 2019 年，Kim等人。首次观察到，只要 RNAPs 以高于某个阈值的速率启动转录，无论总数如何，RNAP 易位的速度仍然很高。令人惊讶的是，他们发现一旦启动子关闭，即 RNAPs 停止启动转录时，RNAPs 的数量就会影响速度。在当前的工作中，该团队描述了超螺旋如何成为这些集体效应的基础。

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