[논문 리뷰] Abortive Initiation as a Bottleneck for Transcription in the Early Drosophila Embryo

Alexander S. Serov, Alexander Levine외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 21.

Genomics and Chromatin Dynamics참고 문헌 33인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 조류의 조류배아에서 전사 속도를 제한하는 주요 장애물로 비정상적 전사 시작을 규명하며, 표준 k-TASEP 모델이 예측하는 것보다 낮은 관측된 최대 전사 속도(이론적 최대의 40%)를 설명한다. 확장된 입자를 가진 수정된 k-TASEP 모델에 실험적으로 측정된 비정상적 시작 동역학을 통합함으로써 저자들은 살아있는 MS2 영상 데이터와 정량적 일치를 달성하였으며, 전사 장애물이 유전자 본문에서 프로모터 영역으로 이동함을 시사하며, 이는 유전자 본문 내 동일한 아미노산 서열 최적화가 전사 속도를 향상시킬 수 없음을 의미한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 조류의 조류배아에서 전사에 대한 물리적 제약이 발달 유전자 발현을 제한하는지 규명하기 위해.
• 고도의 폴리머라제 부하 조건에서 표준 k-TASEP 모델이 최대 전사 속도를 정확히 예측하는지 테스트하기 위해.
• 실험적으로 관측된 전사 속도가 맥도널드-지브스-피킨 모델이 예측하는 이론적 최대치의 40%에 불과한 이유를 조사하기 위해.
• 살아있는 영상과 이론적 모델링을 통해 전사 장애물의 진정한 위치—유전자 본문인지 프로모터 근처인지—를 규명하기 위해.
• 비정상적 시작이 전사 동역학에 미치는 영향을 평가하고, 유전자 발현을 향상시키기 위한 실험 전략에 대한 함의를 분석하기 위해.

제안 방법

• 확장된 폴리머라제 풋프린트와 비균일한 연장 속도를 포함한 완전히 비대칭 단순 배제 프로세스(TASEP) 모델의 적응.
• 비정상적 시작을 모델링하기 위해 느린, 제한 속도가 되는 첫 번째 위치(프로모터 영역)를 통합하며, 시작 시간 상수 τ는 in vitro 측정치에서 유도됨.
• 고조도 조건에서 핵 주기 13 및 14의 폴리머라제 교통을 시뮬레이션하기 위해 고정된 불순물이 있는 수정된 k-TASEP 모델을 사용함.
• Drosophila 배아에서의 살아있는 MS2 형광 영상 데이터와 시뮬레이션된 전사 동역학(폴리머라제 밀도, mRNA 생성 속도)을 비교함.
• 비정상적 정체 상태 동역학과 정체 상태 폴리머라제 수의 분포 폭을 분석하여 노이즈 원인을 탐지하고 모델 가정을 검증함.
• 시간에 따른 전사 속도 및 폴리머라제 밀도의 시간적 프로파일을 검토하여 시스템이 진정한 정체 상태에 도달했는지 평가함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 조류의 조류배아에서 관측된 전사 속도가 고도의 폴리머라제 부하 조건에서 k-TASEP 모델이 예측하는 물리적 한계에 도달하는가?
• RQ2 왜 실험적으로 관측된 최대 전사 속도가 표준 k-TASEP 모델이 예측하는 이론적 최대치의 40%에 불과한가?
• RQ3 전사 장애물은 폴리머라제 교통 정체로 인해 유전자 본문에 존재하는가, 아니면 비정상적 시작으로 인해 프로모터 영역으로 이동했는가?
• RQ4 비정상적 시작 동역학을 k-TASEP 프레임워크에 통합함으로써 이론과 실험 간의 괴리가 정량적으로 설명될 수 있는가?
• RQ5 프로모터 근처의 장애물이 전사 출력을 높이기 위한 전략에 어떤 함의를 지니는가?

주요 결과

• Hunchback, Snail, Knirps 유전자에 대한 실험적으로 관측된 최대 전사 속도는 표준 k-TASEP 모델이 예측하는 이론적 최대치의 일관되게 40%에 불과하다.
• 비정상적 시작에 실험적으로 측정된 시작 시간 상수 τ를 통합함으로써 이론과 실험 간의 괴리가 정량적으로 설명된다.
• 느린 첫 번째 위치(프로모터 영역)와 확장된 폴리머라제 풋프린트를 가진 모델은 높은 정밀도로 살아있는 MS2 영상 데이터를 재현하며, 프로모터가 주요 장애물임을 확인한다.
• 모델은 유전자 본문 내 동일한 아미노산 서열 최적화가 전사 속도를 증가시킬 수 없다고 예측한다. 왜냐하면 장애물이 연장이 아니라 시작 단계에 있기 때문이다.
• 정상적 정체 상태 동역학이 아닌, 피크 생산 후 점진적인 폴리머라제 밀도 감소와 같은 비정상적 정체 상태 동역학은 표준 또는 비정상적 k-TASEP 모델로는 설명할 수 없으며, 향후 연구가 필요하다.
• 기대보다 넓은 실험적 정체 상태 폴리머라제 수 분포는 모델링된 것 이외의 추가적인 노이즈 원인이 있음을 시사하며, 향후 노이즈 분석이 필요하다.