研究轉錄作用中 DNA 雙股怎麼被分開,幫助發展新的抗菌機制藥物

作者 | 發布日期 2017 年 06 月 25 日 12:00 | 分類 生物科技 follow us in feedly

對於所有生物來說,「轉錄作用(transcription)」是生物細胞內運作的基礎,它的功能可以解釋成細胞內解讀 DNA 基因密碼的過程,細胞透過轉錄作用機制「閱讀」DNA 編碼,並以此為基礎製造和調控蛋白質的生成,能夠影響整個細胞生長代謝以及各種功能。在最新發表的研究中,科學家首次以冷凍電子顯微技術來研究轉錄作用中的細節,這些研究成果將能夠幫助未來科學家對針對細菌轉錄作用階段進行干擾的抗生素。



DNA 是由兩股去氧核醣核酸序列所構成,在一般的狀況下,兩股會互相連接並扭轉成螺旋狀立體結構,也就是我們想到 DNA 時腦中會浮現的雙股螺旋形態。然而在 DNA 進行轉錄的過程中,兩股序列會被幾種特殊分子拉開,解開雙股螺旋形的 DNA 結構並防止兩股 DNA 自然的黏合回去,讓 DNA 能夠被展開「閱讀」。這個步驟發生的過程十分短暫,在短時間內有許多角色參與其中,造成許多型態結構等改變,以至於在先前科學家如果想要了解並追蹤其中細節,幾乎可以說是不可能的事。

近日一篇發表於科學期刊《Molecular Cell》的研究中,來自英國倫敦帝國學院(Imperial College London)的科學家們,成功觀察到了在動態中兩股 DNA 解開的過程。研究團隊認為,由於 DNA 的轉錄作用可以說是細胞內最基本的功能之一,更深入的了解轉錄作用的細節,可以為人類提供更多資訊,藉此找到可能干擾轉錄作用的方式,進而抑制細菌的生理機能,抵抗細菌感染對人類的傷害。

這項研究計畫的主持人是英國倫敦帝國學院醫學系教授 Xiaodong Zhang,他表示:「由於現在細菌對抗生素的抗性越來越強,我們的研究就是希望能夠從轉錄作用的最源頭開始,找出能夠抑制細菌生長的切入點。了解轉錄作用這種基礎機制,可以讓科學家以此發展新的作用機制抗生素。當我們研究了解出轉錄作用中更多的細節,我們或許就能找到其中我們能夠介入干擾並對抗細菌的方式。」由於轉錄作用在所有生物體內都會發生,在細胞各方面生長過程中都非常關鍵,也可能和包含癌症在內的多種疾病成因以及發展相關;因此,這項研究深入了解的轉錄作用細節,也能更進一步的認識我們體內疾病形成機制。

啟動轉錄

由於與轉錄作用相關的分子非常多,在這項研究中,研究團隊特別針對一個被稱為 sigma54 的蛋白質深入探討。Sigma54 能夠廣泛調控許多細菌的防禦系統,讓防禦系統在不需要的時候不會輕易啟動。研究團隊認為,往後若以 Sigma54 為目標,設計藥物干擾 sigma54 的調控功能,就能夠利用 sigma54 本身的特性讓細菌的防禦系統持續被抑制,使細菌變得更脆弱更容易被攻擊。

Sigma54 在細菌受到攻擊時,會被另一個蛋白質所活化並改變構型,進而不再抑制防禦系統,使防禦系統得以作用。接著,活化 sigma54 的蛋白質會與 sigma54 結合並拉開 DNA 雙股結構,讓細菌防禦系統相關基因能夠被轉錄、活化並表現。在這項研究中,探討轉錄作用的細節也讓他們更了解在其中 sigma54 所扮演的角色,藉此作為干擾細菌生長的環節。

這項研究的共同作者,倫敦帝國學院生命科學系教授 Martin Buck 表示,DNA 乘載著生物遺傳密碼,這些遺傳訊息再轉換成具有生物功能的蛋白質表現,在這其中,轉錄作用就是提取資訊的第一步驟;也就是說,轉錄作用是細胞乃至整個生物體如何為了適應周遭環境改變、或者發展成癌細胞的重要環節。因此,這些研究成果在非常廣泛的生物學研究應用上都有其重要性。

(首圖來源:Shutterstock)