[論文レビュー] Action at a distance in transcriptional regulation

William Bialek, Thomas Gregor+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2019

RNA Research and Splicing参考文献 34被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、相図の臨界点付近に位置する液体的性質を示すメディエータドロップレットを介して、転写増強子とプロモーターが長距離で通信することを提案している。このドロップレットは、弱い転写因子結合を強力で調整可能な転写応答に増幅する、動的かつ変換的なアルロステリックスキャフォールドとして機能する。

ABSTRACT

There is increasing evidence that protein binding to specific sites along DNA can activate the reading out of genetic information without coming into direct physical contact with the gene. There also is evidence that these distant but interacting sites are embedded in a liquid droplet of proteins which condenses out of the surrounding solution. We argue that droplet-mediated interactions can account for crucial features of gene regulation only if the droplet is poised at a non-generic point in its phase diagram. We explore a minimal model that embodies this idea, show that this model has a natural mechanism for self-tuning, and suggest direct experimental tests.

研究の動機と目的

• 増強子とプロモーターが直接的な物理的接触なしに、長距離のDNA配列間で転写調節がどのように可能となるかを説明すること。
• 相分離のすべてまたはなしの性質に起因する段階的で定量的な転写応答を達成するための課題に対処すること。
• ドロップレットを介したシグナル伝達が、非一般的な臨界点に位置する必要があると提唱すること。
• 増強子結合部位間の集団的相互作用によってドロップレットを臨界点へと引き寄せる自己調整メカニズムを同定すること。
• このメカニズムの実験的検証が可能な物理的兆候（例えば、転写状態に応じた増強子-プロモーター間距離の差異）を提案すること。

提案手法

• 局所的に転写因子結合部位とプロモーター状態に結合する秩序パラメータ φ(r) を持つ最小限の熱力学的モデルを構築する。
• 式 (1) に示される自由エネルギー関数を導入し、増強子における転写因子（g_i）、プロモーター活性（g_a）、およびドロップレット内部の秩序パラメータの間の相互作用を含める。
• 平衡統計力学を用いてドロップレットの揺らぎを統合し、増強子およびプロモーター状態の有効自由エネルギーを導出する。
• 臨界点付近におけるドロップレットの相関長さ ξ を、濃度に依存する関数としてモデル化し、ξ ∝ |x - x₀|⁻ν（ν ≈ 1/2）とする。
• 自由エネルギーの地形（式 (8)）を分析することで、複数の増強子部位が存在する場合、系が臨界点に向かって熱力学的に駆動されることを示す。
• 整列状態と反対整列状態の間の自由エネルギー差に起因する微小な力が増強子に作用し、プロモーターからの平均距離が異なることを予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 増強子とプロモーターが直接接触せずに、何百ナノメートルにもわたる距離で段階的な応答を達成するには、どのようにして転写調節が可能となるのか？
• RQ2 なぜ相分離そのものでは定量的遺伝子調節を達成できないのか、そして追加で必要な条件は何か？
• RQ3 複数の増強子部位間の集団的相互作用が、ドロップレットを臨界点へと引き寄せ、長距離シグナル伝達を可能にするのか？
• RQ4 ドロップレットが臨界点に位置しているという仮説を実験的に検証するための物理的兆候は何か？
• RQ5 増強子の転写活性状態に応じて、プロモーターからの物理的距離はどのように異なるのか？

主な発見

• 長距離かつ協同的なシグナル伝達を可能にするためには、ドロップレットがその相図の臨界点付近に位置している必要がある。
• 複数の増強子結合部位の存在が、臨界点に向かう熱力学的駆動力を生み出し、最適な調節状態への自己調整を可能にする。
• 臨界点付近では相関長さ ξ が発散し、弱い相互作用が何百ナノメートルにもわたって増幅される。
• 化学ポテンシャルが平均濃度を 1.5x₀ に保っている場合でも、臨界濃度 x₀ で自由エネルギーの極小値が出現し、臨界点への強い熱力学的好みが示される。
• モデルは、転写状態に応じた微小な変位 ΔR/R ∼ (J_a/k_B T)(δR/R)² を予測する。ここで J_a ∝ C(R) であり、C(R) は距離とともに減衰する。
• この変位は、初期のショウジョウバエ胚におけるpair-rule遺伝子増強子の単分子追跡実験で観測可能である。