[論文レビュー] Precision of readout at the hunchback gene

Jonathan Desponds, Huy Tran+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2016

RNA Research and Splicing被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、ドーパミン胚におけるhunchback遺 gene の転写ダイナミクスを解析するために、MS2-MCPシステムを用いたライブイメージングを実施し、短時間トレースに対処するためのカスタム自己相関関数を適用した。転写のバースト性を明らかにした一方で、内在的転写ノイズがhunchback境界部および前部における発現の正確性を制限しており、固定標本で観察される正確性を達成するには翻訳後調節機構が必要であると示唆した。

ABSTRACT

The simultaneous expression of the hunchback gene in the numerous nuclei of the developing fly embryo gives us a unique opportunity to study how transcription is regulated in living organisms. A recently developed MS2-MCP technique for imaging nascent messenger RNA in living Drosophila embryos allows us to quantify the dynamics of the developmental transcription process. The initial measurement of the morphogens by the hunchback promoter takes place during very short cell cycles, not only giving each nucleus little time for a precise readout, but also resulting in short time traces of transcription. Additionally, the relationship between the measured signal and the promoter state depends on the molecular design of the reporting probe. We develop an analysis approach based on tailor made autocorrelation functions that overcomes the short trace problems and quantifies the dynamics of transcription initiation. Based on live imaging data, we identify signatures of bursty transcription initiation from the hunchback promoter. We show that the precision of the expression of the hunchback gene to measure its position along the anterior-posterior axis is low both at the boundary and in the anterior even at cycle 13, suggesting additional post-transcriptional averaging mechanisms to provide the precision observed in fixed embryos.

研究の動機と目的

• 初期ドーパミン胚の急速に分裂する核において、転写の正確性がどのように達成されるかを理解すること。
• 急速な細胞周期における短時間トレースの測定に起因する転写ダイナミクスの測定課題を解決すること。
• 信号解析をカスタマイズして、プロモーター状態と観察されたシグナルの関係を定量化すること。
• 転写ノイズが前後軸に沿ったhunchback発現の正確性を制限するかどうかを特定すること。
• 高精度なパターン形成に寄与する可能性のある翻訳後調節機構の役割を調査すること。

提案手法

• 生きたドーパミン胚において、MS2-MCPシステムを用いて新生mRNAのライブイメージングを行い、リアルタイムでの転写可視化を実施した。
• 急速な細胞周期に起因する短時間トレースに対処するため、独自開発の自己相関関数を用いて転写ダイナミクスを分析した。
• hunchbackプロモーターからのバースト的ダイナミクスを検出するために、転写開始パターンの定量的解析を実施した。
• シグナルダイナミクスの分析により、プロモーター状態の遷移とその時間的相関を推定した。
• hunchback発現境界部と前部領域における転写ノイズレベルの比較分析を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期ドーパミン胚におけるhunchbackプロモーターの転写リードアウトはどの程度正確か？
• RQ2 バースト的転写はhunchback発現ダイナミクスをどのように形作っているか？
• RQ3 なぜライブイメージングでは固定標本の研究よりもhunchback発現の正確性が低いのか？
• RQ4 急速な細胞周期に起因する短時間トレースは、転写ダイナミクスの定量的測定にどのように影響するか？
• RQ5 転写ノイズを補償するためのメカニズムは何か？

主な発見

• ライブイメージングデータにおける特徴的な自己相関シグネチャーから、hunchbackプロモーターはバースト的転写開始を示していることが明らかになった。
• hunchback発現境界部における転写の正確性は、転写プロセスの内在的ノイズのため、サイクル13時でも低い。
• 前部領域では鋭い境界がないにもかかわらず、転写の正確性は依然として低く、ノイズが境界に限定されていないことが示された。
• 細胞周期の短さが、正確なシグナル統合に必要な時間の制限をもたらし、測定の正確性の低さに寄与している。
• ライブ標本と固定標本のデータの乖離は、固定標本で観察される高精度を達成するには、翻訳後平均化機構が必要である可能性を示唆している。