揭示了細(xì)菌內(nèi)轉(zhuǎn)錄隨機(jī)爆發(fā)現(xiàn)象(Transcriptional bursting)的分子機(jī)制，這種隨機(jī)性是很多細(xì)胞和組織中細(xì)胞與細(xì)胞間基因表達(dá)量不同的主要根源之一。

從大概十年前開(kāi)始，研究人員在不同的細(xì)胞中都發(fā)現(xiàn)了一個(gè)普遍的現(xiàn)象，即很多基因的轉(zhuǎn)錄都是以隨機(jī)爆發(fā)的形式進(jìn)行著的，轉(zhuǎn)錄的活躍程度會(huì)在十分活躍和很不活躍之間來(lái)回的跳躍。更令人感到困惑的是，即使是在充分去除了轉(zhuǎn)錄抑制蛋白以及其它各種之前已知的可能會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄抑制的機(jī)制之后，所觀察到的基因轉(zhuǎn)錄依然是隨機(jī)爆發(fā)形式的，而其機(jī)制并未得到很好的解釋。

利用超高分辨率技術(shù)發(fā)現(xiàn)了即使是在細(xì)菌中，DNA分子也不是自由的，它們會(huì)被分成一段一段的錨定在一些大的蛋白質(zhì)分子上。同時(shí)早在上世紀(jì)八十年代，人們就發(fā)現(xiàn)在DNA轉(zhuǎn)錄的過(guò)程中，處于RNA聚合酶前方的DNA鏈將聚集所謂正超螺旋(positive supercoiling)，通俗的來(lái)講就是DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)原本是每10.5個(gè)堿基對(duì)轉(zhuǎn)一圈(360度)的，而現(xiàn)在被轉(zhuǎn)的越來(lái)越緊，每轉(zhuǎn)一圈的堿基對(duì)數(shù)目越來(lái)越少，DNA形變?cè)絹?lái)越厲害了；與此相對(duì)應(yīng)的，處于RNA聚合酶后方的DNA鏈將產(chǎn)生負(fù)超螺旋(negative supercoiling)，即完成一圈的堿基對(duì)數(shù)目越來(lái)越多。這兩種DNA形變將由于DNA被錨定在一些大分子上而無(wú)法相互抵消。因此細(xì)胞內(nèi)需要有兩種酶，旋轉(zhuǎn)酶(Topoisomerase IA)專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)在RNA聚合酶的后方釋放負(fù)超螺旋，而旋轉(zhuǎn)酶(gyrase)則專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)在RNA聚合酶的前方釋放正超螺旋。

但是有研究表明，拓樸異構(gòu)酶IA的活性是很高的，而旋轉(zhuǎn)酶的活性是不高的，而且旋轉(zhuǎn)酶在活細(xì)胞內(nèi)的分子數(shù)也并不十分多，平均到每一段被鉚定的段的話(huà)只有大約一個(gè)旋轉(zhuǎn)酶分子。在這篇Cell文章里，研究人員發(fā)展了一套高通量的體外單分子熒光技術(shù)，可以實(shí)時(shí)的觀測(cè)到單個(gè)分子上正在發(fā)生的轉(zhuǎn)錄過(guò)程。通過(guò)這一技術(shù)，研究人員發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)錄過(guò)程在RNA聚合酶前段不斷聚集起來(lái)的正超螺旋，會(huì)漸漸地減慢RNA聚合酶的延伸速度，并終*阻止轉(zhuǎn)錄的起始。而旋轉(zhuǎn)酶酶和DNA分子的結(jié)合又可以使得轉(zhuǎn)錄得以繼續(xù)。

同時(shí)，研究人員還利用單細(xì)胞mRNA技術(shù)熒光原位雜交(FISH)技術(shù)測(cè)到的活細(xì)胞體內(nèi)mRNA分子個(gè)數(shù)的分布，并結(jié)合DNA轉(zhuǎn)錄過(guò)程的兩狀態(tài)數(shù)學(xué)模型，推斷出轉(zhuǎn)錄爆發(fā)的工作周期(duty cycle)，即DNA轉(zhuǎn)錄處于活躍和不活躍的平均時(shí)間的比值。研究人員發(fā)現(xiàn)，該比值依賴(lài)于細(xì)胞內(nèi)的旋轉(zhuǎn)酶濃度，而且當(dāng)在細(xì)胞內(nèi)的質(zhì)粒的轉(zhuǎn)錄下游人為添加一個(gè)旋轉(zhuǎn)酶的強(qiáng)結(jié)合位點(diǎn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)DNA轉(zhuǎn)錄處于活躍和不活躍的平均時(shí)間的比值是高的。