Транскрипционный взрыв

Транскрипционный всплеск , также известный как транскрипционная пульсация , является фундаментальным свойством генов, при котором транскрипция из ДНК в РНК может происходить «всплесками» или «импульсами», что наблюдалось у различных организмов, от бактерий до млекопитающих. ^{[1] [2] [3] [4] [5]}

Это явление стало известно с появлением технологий, таких как маркировка MS2 и флуоресцентная гибридизация одиночной молекулы РНК in situ , для обнаружения продукции РНК в отдельных клетках посредством точных измерений количества РНК или появления РНК в гене. Другие, более распространенные методы, такие как нозерн-блоттинг , микрочипы , ОТ-ПЦР и РНК-Seq , измеряют объемные уровни РНК из однородных популяционных экстрактов. Эти методы теряют динамическую информацию из отдельных клеток и создают впечатление, что транскрипция является непрерывным плавным процессом. Наблюдаемая на уровне отдельных клеток транскрипция нерегулярна, с сильными периодами активности, перемежающимися длительными периодами бездействия.

Взрыв может быть результатом стохастической природы биохимических событий, наложенных на двухшаговую флуктуацию. В своей простейшей форме ген, как предполагается, существует в двух состояниях: одно, где активность незначительна, и одно, где есть определенная вероятность активации. ^[6] Только во втором состоянии транскрипция легко происходит. Кажется вероятным, что некоторые рудиментарные эукариоты имеют гены, которые не показывают взрыв. Гены всегда находятся в разрешающем состоянии, с простой вероятностью, описывающей количество сгенерированных РНК. ^[7]

Более поздние данные указывают на то, что модель с двумя состояниями может быть чрезмерным упрощением. Транскрипция гена c-Fos в ответ на стимуляцию сывороткой может, по большей части, быть обобщена двумя состояниями, хотя в определенные моменты после стимуляции третье состояние лучше объясняет дисперсию в данных. ^[8] Другая модель предполагает, что модель с двумя состояниями может применяться, но при этом каждая клетка имеет различную скорость транскрипции в активном состоянии. ^[9] Другие анализы указывают на спектр или континуум состояний активности. ^{[10] [11]} Ядерные и сигнальные ландшафты сложных эукариотических ядер могут благоприятствовать более чем двум простым состояниям - например, существует более нескольких десятков посттрансляционных модификаций нуклеосом и, возможно, сотни различных белков, участвующих в средней реакции транскрипции эукариот.

Что представляют собой репрессивные и пермиссивные состояния? Привлекательная идея заключается в том, что репрессивное состояние представляет собой закрытую конформацию хроматина , в то время как пермиссивные состояния более открыты. Другая гипотеза заключается в том, что колебания между состояниями отражают обратимые переходы в связывании и диссоциации комплексов преинициации. ^[12] Всплески могут также быть результатом всплесков сигналов, эффектов клеточного цикла или перемещения хроматина к транскрипционным фабрикам и от них . Было показано, что динамика всплесков зависит от размера клетки ^[13] и частоты внеклеточной сигнализации. ^[14] Последние данные свидетельствуют о том, что различные степени суперспирализации отличают пермиссивные и неактивные состояния. ^[15]

Феномен всплеска, в отличие от простых вероятностных моделей транскрипции, может объяснять высокую изменчивость (см. транскрипционный шум ) в экспрессии генов, происходящую между клетками в изогенных популяциях. Эта изменчивость, в свою очередь, может иметь огромные последствия для поведения клеток и должна быть смягчена или интегрирована. Предлагаемые механизмы, с помощью которых шум может быть ослаблен, включают сильную внеклеточную сигнализацию, ^[16] диффузию РНК и белка в клеточных синцитиях, ^[17] проксимальную паузу промотора, ^[18] и ядерное удержание транскриптов. [ ^19] В определенных контекстах, таких как выживание микробов в быстро меняющихся стрессовых условиях, изменчивость экспрессии может быть существенной. ^[20] Изменчивость также влияет на эффективность клинического лечения, при этом устойчивость бактерий к антибиотикам , очевидно, вызвана негенетическими различиями. ^{[21] [22]} Подобные явления могут способствовать устойчивости субпопуляций раковых клеток к химиотерапии. ^[23] Также предполагается, что спонтанная изменчивость экспрессии генов выступает в качестве источника разнообразия клеточных судеб в самоорганизующихся процессах дифференциации ^[24] и может выступать в качестве барьера для эффективных стратегий клеточного перепрограммирования. ^[25]