Molecular mechanisms of transcription through single-molecule experiments

Chemical Reviews

Volumn 114, Issue 6, 2014, Pages 3203-3223

  Dangkulwanich, Manchuta ^a   Ishibashi, Toyotaka ^a,b,d   Bintu, Lacramioara ^a,e   Bustamante, Carlos ^a,b,c  

^a UNIVERSITY OF CALIFORNIA   (United States)

^b UNIVERSITY OF CALIFORNIA   (United States)

^c LAWRENCE BERKELEY NATIONAL LABORATORY   (United States)

^d HONG KONG UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY   (Hong Kong)

^e California Institute of Technology   (United States)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

EXPERIMENTS; POLYMERS; TRANSCRIPTION;

INTERNAL DYNAMICS; MOLECULAR EVENTS; MOLECULAR MECHANISM; REGULATORY FACTORS; SINGLE MOLECULE EXPERIMENTS; SINGLE MOLECULE MANIPULATION; SINGLE-MOLECULE DETECTION; SINGLE-MOLECULE FLUORESCENCES;

MOLECULES;

DNA; DNA DIRECTED RNA POLYMERASE; NUCLEOTIDE; RNA; TRANSCRIPTION FACTOR;

CHEMISTRY; EUKARYOTE; GENETIC TRANSCRIPTION; GENETICS; METABOLISM; PROKARYOTIC CELL; PROMOTER REGION; REVIEW; TRANSCRIPTION ELONGATION;

DNA; DNA-DIRECTED RNA POLYMERASES; EUKARYOTA; NUCLEOTIDES; PROKARYOTIC CELLS; PROMOTER REGIONS, GENETIC; RNA; TRANSCRIPTION ELONGATION, GENETIC; TRANSCRIPTION FACTORS; TRANSCRIPTION, GENETIC;

EID: 84897059403     PISSN: 00092665     EISSN: 15206890     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/cr400730x     Document Type: Review

References (117)

1. Temin, H. M.; Mizutani, S. Nature 1970, 226, 1211
2. Kærn, M.; Elston, T. C.; Blake, W. J.; Collins, J. J. Nat. Rev. Genet. 2005, 6, 451
3. Gruber, T. M.; Gross, C. A. Annu. Rev. Microbiol. 2003, 57, 441
4. Riggs, A. D.; Bourgeois, S.; Cohn, M. J. Mol. Biol. 1970, 53, 401
5. Berg, O. G.; Winter, R. B.; von Hippel, P. H. Biochemistry (Moscow) 1981, 20, 6929
6. Von Hippel, P. H.; Berg, O. G. J. Biol. Chem. 1989, 264, 675
7. Harada, Y.; Funatsu, T.; Murakami, K.; Nonoyama, Y.; Ishihama, A.; Yanagida, T. Biophys. J. 1999, 76, 709
8. Kabata, H.; Kurosawa, O.; Arai, I.; Washizu, M.; Margarson, S. A.; Glass, R. E.; Shimamoto, N. Science 1993, 262, 1561
9. Sakata-Sogawa, K.; Shimamoto, N. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2004, 101, 14731
10. Guthold, M.; Zhu, X.; Rivetti, C.; Yang, G.; Thomson, N. H.; Kasas, S.; Hansma, H. G.; Smith, B.; Hansma, P. K.; Bustamante, C. Biophys. J. 1999, 77, 2284
11. Bustamante, C.; Guthold, M.; Zhu, X.; Yang, G. J. Biol. Chem. 1999, 274, 16665
12. Suzuki, Y.; Shin, M.; Yoshida, A.; Yoshimura, S. H.; Takeyasu, K. FEBS Lett. 2012, 586, 3187
13. Friedman, L. J.; Mumm, J. P.; Gelles, J. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2013, 110, 9740
14. Reitzer, L.; Schneider, B. L. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 2001, 65, 422
15. Wang, F.; Redding, S.; Finkelstein, I. J.; Gorman, J.; Reichman, D. R.; Greene, E. C. Nat. Struct. Mol. Biol. 2013, 20, 174
16. Saecker, R. M.; Record, M. T., Jr.; Dehaseth, P. L. J. Mol. Biol. 2011, 412, 754
17. Davis, C. A.; Bingman, C. A.; Landick, R.; Record, M. T., Jr.; Saecker, R. M. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2007, 104, 7833
18. Rivetti, C.; Guthold, M.; Bustamante, C. EMBO J. 1999, 18, 4464
19. Bustamante, C.; Marko, J. F.; Siggia, E. D.; Smith, S. Science 1994, 265, 1599
20. Roe, J. H.; Burgess, R. R.; Record, M. T., Jr. J. Mol. Biol. 1985, 184, 441
21. Cellai, S.; Mangiarotti, L.; Vannini, N.; Naryshkin, N.; Kortkhonjia, E.; Ebright, R. H.; Rivetti, C. EMBO Rep. 2007, 8, 271
22. Revyakin, A.; Ebright, R. H.; Strick, T. R. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2004, 101, 4776
23. Chakraborty, A.; Wang, D.; Ebright, Y. W.; Korlann, Y.; Kortkhonjia, E.; Kim, T.; Chowdhury, S.; Wigneshweraraj, S.; Irschik, H.; Jansen, R.; Nixon, B. T.; Knight, J.; Weiss, S.; Ebright, R. H. Science 2012, 337, 591
24. Friedman, L. J.; Gelles, J. Cell 2012, 148, 679
25. Revyakin, A.; Liu, C.; Ebright, R. H.; Strick, T. R. Science 2006, 314, 1139
26. Kapanidis, A. N.; Margeat, E.; Ho, S. O.; Kortkhonjia, E.; Weiss, S.; Ebright, R. H. Science 2006, 314, 1144
27. Straney, D. C.; Crothers, D. M. J. Mol. Biol. 1987, 193, 267
28. Breslauer, K. J.; Frank, R.; Blöcker, H.; Marky, L. A. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1986, 83, 3746
29. Kapanidis, A. N.; Margeat, E.; Laurence, T. A.; Doose, S.; Ho, S. O.; Mukhopadhyay, J.; Kortkhonjia, E.; Mekler, V.; Ebright, R. H.; Weiss, S. Mol. Cell 2005, 20, 347
30. Margeat, E.; Kapanidis, A. N.; Tinnefeld, P.; Wang, Y.; Mukhopadhyay, J.; Ebright, R. H.; Weiss, S. Biophys. J. 2006, 90, 1419
31. Bar-Nahum, G.; Nudler, E. Cell 2001, 106, 443
32. Roeder, R. G. Trends Biochem. Sci. 1996, 21, 327
33. Chen, H.-T.; Hahn, S. Cell 2004, 119, 169
34. Miller, G.; Hahn, S. Nat. Struct. Mol. Biol. 2006, 13, 603
35. Chen, H.-T.; Warfield, L.; Hahn, S. Nat. Struct. Mol. Biol. 2007, 14, 696
36. Eichner, J.; Chen, H.-T.; Warfield, L.; Hahn, S. EMBO J. 2010, 29, 706
37. Fishburn, J.; Hahn, S. Mol. Cell. Biol. 2012, 32, 12
38. Murakami, K.; Elmlund, H.; Kalisman, N.; Bushnell, D. A.; Adams, C. M.; Azubel, M.; Elmlund, D.; Levi-Kalisman, Y.; Liu, X.; Gibbons, B. J.; Levitt, M.; Kornberg, R. D. Science 2013, 342, 1238724
39. He, Y.; Fang, J.; Taatjes, D. J.; Nogales, E. Nature 2013, 495, 481
40. Cisse, I. I.; Izeddin, I.; Causse, S. Z.; Boudarene, L.; Senecal, A.; Muresan, L.; Dugast-Darzacq, C.; Hajj, B.; Dahan, M.; Darzacq, X. Science 2013, 341, 664
41. Treutlein, B.; Muschielok, A.; Andrecka, J.; Jawhari, A.; Buchen, C.; Kostrewa, D.; Hög, F.; Cramer, P.; Michaelis, J. Mol. Cell 2012, 46, 136
42. Gnatt, A. L.; Cramer, P.; Fu, J.; Bushnell, D. A.; Kornberg, R. D. Science 2001, 292, 1876
43. Revyakin, A.; Zhang, Z.; Coleman, R. A.; Li, Y.; Inouye, C.; Lucas, J. K.; Park, S.-R.; Chu, S.; Tjian, R. Genes Dev. 2012, 26, 1691
44. Yudkovsky, N.; Ranish, J. A.; Hahn, S. Nature 2000, 408, 225
45. Mehta, A. D.; Rief, M.; Spudich, J. A.; Smith, D. A.; Simmons, R. M. Science 1999, 283, 1689
46. Davenport, R. J.; Wuite, G. J.; Landick, R.; Bustamante, C. Science 2000, 287, 2497
47. Forde, N. R.; Izhaky, D.; Woodcock, G. R.; Wuite, G. J.; Bustamante, C. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2002, 99, 11682
48. Wang, M. D.; Schnitzer, M. J.; Yin, H.; Landick, R.; Gelles, J.; Block, S. M. Science 1998, 282, 902
49. Yin, H.; Wang, M. D.; Svoboda, K.; Landick, R.; Block, S. M.; Gelles, J. Science 1995, 270, 1653
50. Galburt, E. A.; Grill, S. W.; Wiedmann, A.; Lubkowska, L.; Choy, J.; Nogales, E.; Kashlev, M.; Bustamante, C. Nature 2007, 446, 820
51. Zamft, B.; Bintu, L.; Ishibashi, T.; Bustamante, C. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2012, 109, 8948
52. Abbondanzieri, E. A.; Greenleaf, W. J.; Shaevitz, J. W.; Landick, R.; Block, S. M. Nature 2005, 438, 460
53. Hodges, C.; Bintu, L.; Lubkowska, L.; Kashlev, M.; Bustamante, C. Science 2009, 325, 626
54. Larson, M. H.; Zhou, J.; Kaplan, C. D.; Palangat, M.; Kornberg, R. D.; Landick, R.; Block, S. M. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2012, 109, 6555
55. Neuman, K. C.; Abbondanzieri, E. A.; Landick, R.; Gelles, J.; Block, S. M. Cell 2003, 115, 437
56. Guajardo, R.; Sousa, R. J. Mol. Biol. 1997, 265, 8
57. Kireeva, M.; Kashlev, M.; Burton, Z. F. Biochim. Biophys. Acta 2010, 1799, 389
58. Dangkulwanich, M.; Ishibashi, T.; Liu, S.; Kireeva, M. L.; Lubkowska, L.; Kashlev, M.; Bustamante, C. J. eLife 2013, 2, e00971
59. Bintu, L.; Kopaczynska, M.; Hodges, C.; Lubkowska, L.; Kashlev, M.; Bustamante, C. Nat. Struct. Mol. Biol. 2011, 18, 1394
60. Shaevitz, J. W.; Abbondanzieri, E. A.; Landick, R.; Block, S. M. Nature 2003, 426, 684
61. Komissarova, N.; Kashlev, M. J. Biol. Chem. 1997, 272, 15329
62. Komissarova, N.; Kashlev, M. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1997, 94, 1755
63. Weixlbaumer, A.; Leon, K.; Landick, R.; Darst, S. A. Cell 2013, 152, 431
64. Herbert, K. M.; La Porta, A.; Wong, B. J.; Mooney, R. A.; Neuman, K. C.; Landick, R.; Block, S. M. Cell 2006, 125, 1083
65. Sydow, J. F.; Brueckner, F.; Cheung, A. C.; Damsma, G. E.; Dengl, S.; Lehmann, E.; Vassylyev, D.; Cramer, P. Mol. Cell 2009, 34, 710
66. Toulokhonov, I.; Zhang, J.; Palangat, M.; Landick, R. Mol. Cell 2007, 27, 406
67. Artsimovitch, I.; Landick, R. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2000, 97, 7090
68. Herbert, K. M.; Greenleaf, W. J.; Block, S. M. Annu. Rev. Biochem. 2008, 77, 149
69. Depken, M.; Galburt, E. A.; Grill, S. W. Biophys. J. 2009, 96, 2189
70. Bintu, L.; Ishibashi, T.; Dangkulwanich, M.; Wu, Y. Y.; Lubkowska, L.; Kashlev, M.; Bustamante, C. Cell 2012, 151, 738
71. Kireeva, M. L.; Kashlev, M. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2009, 106, 8900
72. Bai, L.; Shundrovsky, A.; Wang, M. D. J. Mol. Biol. 2004, 344, 335
73. Tadigotla, V. R.; Maoileidigh, D. O.; Sengupta, A. M.; Epshtein, V.; Ebright, R. H.; Nudler, E.; Ruckenstein, A. E. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2006, 103, 4439
74. Shundrovsky, A.; Santangelo, T. J.; Roberts, J. W.; Wang, M. D. Biophys. J. 2004, 87, 3945
75. Toulokhonov, I.; Landick, R. Mol. Cell 2003, 12, 1125
76. Toulokhonov, I.; Artsimovitch, I.; Landick, R. Science 2001, 292, 730
77. Andrecka, J.; Lewis, R.; Brückner, F.; Lehmann, E.; Cramer, P.; Michaelis, J. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2008, 105, 135
78. Hartzog, G. A.; Speer, J. L.; Lindstrom, D. L. Biochim. Biophys. Acta 2002, 1577, 276
79. Kornberg, R. D.; Lorch, Y. Cell 1999, 98, 285
80. Jin, J.; Bai, L.; Johnson, D. S.; Fulbright, R. M.; Kireeva, M. L.; Kashlev, M.; Wang, M. D. Nat. Struct. Mol. Biol. 2010, 17, 745
81. Galburt, E. A.; Parrondo, J. M. R.; Grill, S. W. Biophys. Chem. 2011, 157, 43
82. Clark, D. J.; Felsenfeld, G. Cell 1992, 71, 11
83. Studitsky, V. M.; Clark, D. J.; Felsenfeld, G. Cell 1994, 76, 371
84. Studitsky, V. M.; Kassavetis, G. A.; Geiduschek, E. P.; Felsenfeld, G. Science 1997, 278, 1960
85. Kireeva, M. L.; Walter, W.; Tchernajenko, V.; Bondarenko, V.; Kashlev, M.; Studitsky, V. M. Mol. Cell 2002, 9, 541
86. Kulaeva, O. I.; Hsieh, F.-K.; Studitsky, V. M. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2010, 107, 11325
87. Herbert, K. M.; Zhou, J.; Mooney, R. A.; Porta, A. L.; Landick, R.; Block, S. M. J. Mol. Biol. 2010, 399, 17
88. Zhou, J.; Ha, K. S.; La Porta, A.; Landick, R.; Block, S. M. Mol. Cell 2011, 44, 635
89. Erie, D. A.; Hajiseyedjavadi, O.; Young, M. C.; von Hippel, P. H. Science 1993, 262, 867
90. Jeon, C.; Agarwal, K. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1996, 93, 13677
91. Thomas, M. J.; Platas, A. A.; Hawley, D. K. Cell 1998, 93, 627
92. Borukhov, S.; Sagitov, V.; Goldfarb, A. Cell 1993, 72, 459
93. Kireeva, M. L.; Hancock, B.; Cremonaqq, G. H.; Walter, W.; Studitsky, V. M.; Kashlev, M. Mol. Cell 2005, 18, 97
94. Luse, D. S.; Spangler, L. C.; Újvári, A. J. Biol. Chem. 2011, 286, 6040
95. Liu, L. F.; Wang, J. C. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1987, 84, 7024
96. Ma, J.; Bai, L.; Wang, M. D. Science 2013, 340, 1580
97. Deufel, C.; Forth, S.; Simmons, C. R.; Dejgosha, S.; Wang, M. D. Nat. Methods 2007, 4, 223
98. Bryant, Z.; Stone, M. D.; Gore, J.; Smith, S. B.; Cozzarelli, N. R.; Bustamante, C. Nature 2003, 424, 338
99. Champoux, J. J. Annu. Rev. Biochem. 2001, 70, 369
100. Skordalakes, E.; Berger, J. M. Cell 2003, 114, 135
101. Kim, D. E.; Patel, S. S. J. Biol. Chem. 2001, 276, 13902
102. Richardson, J. P. J. Biol. Chem. 1982, 257, 5760
103. Richardson, J. P. Biochim. Biophys. Acta 2002, 1577, 251
104. Burns, C. M.; Richardson, L. V.; Richardson, J. P. J. Mol. Biol. 1998, 278, 307
105. Koslover, D. J.; Fazal, F. M.; Mooney, R. A.; Landick, R.; Block, S. M. J. Mol. Biol. 2012, 423, 664
106. Larson, M. H.; Greenleaf, W. J.; Landick, R.; Block, S. M. Cell 2008, 132, 971
107. Gopinath, S. C. B.; Balasundaresan, D.; Kumarevel, T.; Misono, T. S.; Mizuno, H.; Kumar, P. K. R. Nucleic Acids Res. 2008, 36, 3463
108. Langbein, I.; Bachem, S.; Stülke, J. J. Mol. Biol. 1999, 293, 795
109. Schnetz, K.; Stülke, J.; Gertz, S.; Krüger, S.; Krieg, M.; Hecker, M.; Rak, B. J. Bacteriol. 1996, 178, 1971
110. Clerte, C.; Declerck, N.; Margeat, E. Nucleic Acids Res. 2013, 41, 2632
111. Serganov, A.; Patel, D. J. Annu. Rev. Biophys 2012, 41, 343
112. Frieda, K. L.; Block, S. M. Science 2012, 338, 397
113. Lang, W. H.; Reeder, R. H. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1995, 92, 9781
114. Németh, A.; Perez-Fernandez, J.; Merkl, P.; Hamperl, S.; Gerber, J.; Griesenbeck, J.; Tschochner, H. Biochim. Biophys. Acta 2013, 1829, 306
115. Arimbasseri, A. G.; Rijal, K.; Maraia, R. J. Biochim. Biophys. Acta 2013, 1829, 318
116. Mischo, H. E.; Proudfoot, N. J. Biochim. Biophys. Acta 2013, 1829, 174
117. Murakami, K. S.; Darst, S. A. Curr. Opin. Struct. Biol. 2003, 13, 31