將新型“大數(shù)據(jù)”信息學(xué)工具與基礎(chǔ)生物學(xué)專業(yè)知識(shí)相結(jié)合的研究合作揭示了生命中一個(gè)重要過程的細(xì)節(jié)：一個(gè)關(guān)鍵的酶如何將DNA定位于DNA開始指導(dǎo)RNA合成的位點(diǎn)。這一發(fā)現(xiàn)可能有助于發(fā)現(xiàn)新的抗菌藥物，為這項(xiàng)研究開發(fā)的強(qiáng)大技術(shù)方法可能會(huì)闡明其他重要的細(xì)胞過程。來(lái)自費(fèi)城兒童醫(yī)院的生物信息學(xué)小組與羅格斯大學(xué)的研究人員合作進(jìn)行了這項(xiàng)研究，該研究今天在線出現(xiàn)在“ 科學(xué)”雜志上。

“我們開發(fā)的算法使我們能夠解決DNA和RNA生物學(xué)不同領(lǐng)域的許多問題，”該研究的共同作者，兒童生物醫(yī)學(xué)和健康信息學(xué)系生物信息學(xué)主任Deanne M. Taylor博士說。費(fèi)城醫(yī)院(CHOP)。“了解這些基本過程可能有助于開發(fā)抗菌治療以對(duì)抗細(xì)菌性疾病。”

泰勒與來(lái)自新澤西州立大學(xué)羅格斯大學(xué)的生物化學(xué)家Bryce Nickels博士和化學(xué)家Richard Ebright博士合作進(jìn)行了這項(xiàng)研究。

該研究的重點(diǎn)是轉(zhuǎn)錄 - 細(xì)胞如何通過首先將遺傳信息的副本合成為RNA來(lái)讀取存儲(chǔ)在DNA中的遺傳信息。RNA聚合酶是進(jìn)行轉(zhuǎn)錄的分子機(jī)器。在目前的研究中，CHOP / Rutgers團(tuán)隊(duì)確定了RNA聚合酶如何定位DNA開始轉(zhuǎn)錄的位點(diǎn)。

特別是在細(xì)菌中工作，CHOP / Rutgers團(tuán)隊(duì)表明，在RNA聚合酶結(jié)合DNA并部分解開DNA螺旋的兩條鏈之后，它繼續(xù)解開這兩條鏈，將未纏繞的DNA鏈拉入自身，直到它與轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)(TSS)。研究人員將這一過程稱為解纏DNA并將其拉入自身 - “DNA scrunching”。Nickels指出，“科學(xué)家們已經(jīng)知道三十多年來(lái)轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)各不相同，但之前并不知道這種機(jī)制。”

為了在TSS選擇過程中檢測(cè)DNA scrunching，研究人員開發(fā)了強(qiáng)大的新實(shí)驗(yàn)方法，稱為MASTER和MASTER-XL。CHOP / Rutgers團(tuán)隊(duì)在2015年12月的Molecular Cell論文中首次描述了MASTER(用于“大規(guī)模系統(tǒng)轉(zhuǎn)錄終點(diǎn)讀數(shù)”)。

MASTER-XL將MASTER技術(shù)與蛋白質(zhì)特定位點(diǎn)的交聯(lián)引入人工氨基酸結(jié)合，與DNA中的位點(diǎn)交聯(lián)。利用高通量算法，研究團(tuán)隊(duì)能夠精確，快速地確定百萬(wàn)種不同DNA序列中的交聯(lián)位點(diǎn)，每個(gè)DNA序列都帶有不同的TSS區(qū)域。在每個(gè)序列中，研究小組確定了TSS以及RNA聚合酶與DNA連接的前(前緣)和后(后緣)位置。

與CHOP的Taylor生物信息學(xué)小組合作的研究生Yuanchao Zhang用Taylor開發(fā)了大數(shù)據(jù)算法來(lái)分析MASTER和MASTER-XL實(shí)驗(yàn)的測(cè)序數(shù)據(jù)輸出。“我們的算法可以快速處理數(shù)百萬(wàn)個(gè)DNA和RNA序列讀數(shù)，”泰勒說。

快速測(cè)序，加上交聯(lián)的先進(jìn)生化和化學(xué)方法，提供了關(guān)于轉(zhuǎn)錄過程中DNA scrunching如何發(fā)生的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)。隨著TSS位置的變化，RNA聚合酶前沿的位置在鎖定步驟中發(fā)生變化，但酶的后緣保持在相同的位置。這導(dǎo)致DNA被碾碎：它在其后緣保持固定在RNA聚合酶上，但是RNA聚合酶展開相鄰的DNA并將未展開的DNA拉到自身中直到它找到新的TSS。

“我們的方法的關(guān)鍵特征，”Ebright解釋說，“是蛋白質(zhì)-DNA交聯(lián)與下一代DNA測(cè)序的結(jié)合。這使我們能夠在相同的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行100萬(wàn)種不同DNA序列的交聯(lián)研究。我們以前需要用一個(gè)DNA序列進(jìn)行交聯(lián)研究。“ 他補(bǔ)充說：“吞吐量增加百萬(wàn)倍，可以解決以前無(wú)法解決的生物問題。”

CHOP / Rutgers的合作者正在研究高等生物的轉(zhuǎn)錄，分析在TSS選擇過程中是否發(fā)生DNA scrunching，如果是，那么它與細(xì)菌過程的比較。該團(tuán)隊(duì)還希望應(yīng)用MASTER和MASTER-XL來(lái)分析其他重要的細(xì)胞過程，如DNA復(fù)制。