[論文レビュー] Abortive Initiation as a Bottleneck for Transcription in the Early Drosophila Embryo

Alexander S. Serov, Alexander Levine+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2017

Genomics and Chromatin Dynamics参考文献 33被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、初期ドーリドフィラの胚における転写速度の制限要因として、断続的転写開始（abortive transcription initiation）が主なボトルネックであると特定した。これにより、理論的最大値の40％にとどまる観察された最大転写速度（40% of theoretical maximum）が、標準k-TASEPモデルによって予測される値より低いことが説明された。実験的に測定された断続的開始のキネティクスを組み込んだ、拡張された粒子を有する修正k-TASEPモデルを用いることで、生体画像法によるMS2イメージングデータと定量的に一致し、転写のボトルネックが遺伝子本体からプロモーター領域に移動した。これは、遺伝子本体における相同コドン最適化が転写速度を向上させないことを示唆している。

ABSTRACT

Gene transcription is a critical step in gene expression. The currently accepted physical model of transcription predicts the existence of a physical limit on the maximal rate of transcription, which does not depend on the transcribed gene. This limit appears as a result of polymerase "traffic jams" forming in the bulk of the 1D DNA chain at high polymerase concentrations. Recent experiments have, for the first time, allowed one to access live gene expression dynamics in the Drosophila fly embryo in vivo under the conditions of heavy polymerase load and test the predictions of the model. Our analysis of the data shows that the maximal rate of transcription is indeed the same for the Hunchback, Snail and Knirps gap genes, and modified gene constructs in nuclear cycles 13, 14, but the experimentally observed value of the maximal transcription rate corresponds to only 40 % of the one predicted by this model. We argue that such a decrease must be due to a slower polymerase elongation rate in the vicinity of the promoter region. This effectively shifts the bottleneck of transcription from the bulk to the promoter region of the gene. We suggest a quantitative explanation of the difference by taking into account abortive transcription initiation. Our calculations based on the independently measured abortive initiation constant in vitro confirm this hypothesis and find quantitative agreement with MS2 fluorescence live imaging data in the early fruit fly embryo. If our explanation is correct, then the transcription rate cannot be increased by replacing "slow codons" in the bulk with synonymous codons, and experimental efforts must be focused on the promoter region instead. This study extends our understanding of transcriptional regulation, re-examines physical constraints on the kinetics of transcription and re-evaluates the validity of the standard TASEP model of transcription.

研究の動機と目的

• 初期ドーリドフィラの胚における発生遺伝子発現が、転写の物理的制約によって制限されるかどうかを特定すること。
• 高ポリメラーゼ負荷下で標準k-TASEPモデルが最大転写速度を正確に予測できるかどうかを検証すること。
• 実験的に観察された転写速度が、MacDonald-Gibbs-Pipkinモデルによって予測される理論的最大値の40％にとどまる理由を調査すること。
• 生体画像法と理論的モデリングを用いて、転写のボトルネックが遺伝子本体にあるのか、それともプロモーター付近にあるのかを特定すること。
• 断続的開始が転写キネティクスに与える影響を評価し、遺伝子発現を向上させる実験的戦略に与える意味を検討すること。

提案手法

• 拡張されたポリメラーゼフットプリントと非一様な延伸速度を組み込んだ、完全非対称単純排他過程（TASEP）モデルの適応。
• 断続的開始をモデル化するため、遅い制限速度を示す最初のサイト（プロモーター領域）を導入し、開始時間定数τをin vitro測定値から導出。
• 核サイクル13および14における高カバレッジ状態のポリメラーゼ交通を模擬するため、クエンチドディスオーダーを有する修正k-TASEPモデルの使用。
• ドーリドフィラ胚からの生体MS2蛍光イメージングデータと、シミュレートされた転写ダイナミクス（ポリメラーゼ密度、mRNA産生速度）の比較。
• 非定常状態ダイナミクスおよび定常状態におけるポリメラーゼ数の分布幅の分析により、ノイズ源を特定し、モデル仮定の妥当性を検証。
• 時間的経過に伴う転写速度およびポリメラーゼ密度のプロファイルを検討することで、システムが真の定常状態に達しているかどうかを評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期ドーリドフィラの胚における観察された転写速度は、高ポリメラーゼ負荷下でk-TASEPモデルが予測する物理的限界に達するか？
• RQ2 実験的に観察された最大転写速度が、標準k-TASEPモデルによって予測される理論的最大値の40％にとどまる理由は何か？
• RQ3 転写のボトルネックは、ポリメラーゼの混雑による遺伝子本体に存在するのか、それとも断続的開始によるプロモーター付近にシフトしているのか？
• RQ4 k-TASEPフレームワークに断続的開始キネティクスを組み込むことで、理論と実験の乖離を定量的に説明できるか？
• RQ5 プロモーター近傍にボトルネックが存在する場合、転写産出量を向上させる戦略にどのような意味があるか？

主な発見

• Hunchback、Snail、Knirps遺伝子の実験的観察された最大転写速度は、標準k-TASEPモデルが予測する理論的最大値の40％に一貫してとどまる。
• 理論と実験の乖離は、実験的に測定された開始時間定数τを用いたk-TASEPモデルへの断続的開始の組み込みによって定量的に説明可能である。
• 遅い最初のサイト（プロモーター領域）と拡張されたポリメラーゼフットプリントを有するモデルは、生体MS2イメージングデータを高い忠実度で再現し、プロモーターが主なボトルネックであることを確認した。
• モデルは、ボトルネックが伸長ではなく開始に存在するため、遺伝子本体における相同コドン置換によっても転写速度は向上しないと予測している。
• ピーク産生後の徐々なポリメラーゼ密度低下といった非定常状態ダイナミクスは、標準的または断続的k-TASEPモデルでは説明できず、さらなる調査を要する。
• 予想よりも広い実験的分布を示す定常状態におけるポリメラーゼ数は、モデル化されたもの以上のノイズ源を示唆しており、さらなるノイズ解析の必要性を示している。