单分子角控光镊技术研究真核转录过程中的扭矩问题

Transcription generated torque has been shown to be an important regulator of gene transcription and broadly present in the cell. Recent experiments have demonstrated that a prokaryotic RNA polymerase (RNAP) is a powerful torsional motor and the torque it can generate can greatly alter DNA topology and structure. However, how torque affects the eukaryotic transcription and how much torque can an eukaryotic RNAP generate still remain unknown. Here, we propose to apply angular optical trap (AOT), a special optical torque wrench, to the study of the eukaryotic transcription under torsion, including measuring the torque that an eukaryotic RNAP can generate and quantitatively characterizing the effects of torque on eukaryotic transcription kinetics. Such studies would essentially help people gain more insights into the mechanistic nature of eukaryotic RNAPs and the mechanism of eukaryotic transcription regulation. The methods developed here will also pave the way for the study of other torsional motors in the future.

转录过程产生的扭矩作为一种重要的基因调控手段在细胞中广泛存在。最近的实验刚刚证实了原核细胞RNA聚合酶是一个强大的扭矩分子马达，其产生的扭矩可以显著地影响DNA的形貌和结构。但是扭矩如何调控真核细胞转录过程以及真核细胞RNA聚合酶究竟能产生多大的扭矩，目前仍属未知。本项目中，我们拟利用一种特殊的光学扳手技术，即角控光镊技术，在单分子层面上系统研究真核转录过程中的扭矩问题，包括测量真核RNA聚合酶所能产生的扭矩以及定量考察扭矩对真核转录过程的影响。我们的研究结果将帮助人们更加深入地了解真核RNA聚合酶的工作机制以及真核细胞转录过程的调控机理。同时，我们的研究方法也将为未来研究其他扭矩分子马达在技术上铺平道路。

转录是遗传信息传递的重要一环。转录过程主要依靠一种特殊的分子马达蛋白 RNA 聚合酶来完成。在单分子层面研究转录过程，能在微观尺度上揭示其过程细节，对于深入理解转录机理十分重要。特别地， 在转录过程中，RNA聚合酶在沿着DNA沟槽前进的同时，会在DNA上积累扭矩，这些扭矩反过来将会影响转录过程。理解RNA聚合酶产生扭矩的大小和对其的调控机制，对于揭示细胞中一些重要过程机理具有重要意义。而测量RNA聚合酶产生的微小扭矩在技术上颇具挑战，本项目主要通过开发一系列单分子技术如光镊和单分子荧光技术，为未来在单分子层面以高的时空精度来研究转录过程做好准备，同时在此基础上研发特殊的角控光镊技术，研究RNA聚合酶产生的微小扭矩及其调控机理。本项目的研究成果，将有助于人们更深入理解转录过程的力学调控机制。