Гены могут реагировать на закодированную информацию в сигналах – или полностью их фильтровать

«Основная идея здесь заключается в том, что вы можете кодировать информацию в динамике сигнала, который получает ген», – говорит Альберт Кеунг, автор статьи о работе и доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии в NC State. «Таким образом, значение имеет не просто наличие или отсутствие сигнала, а способ его подачи».

Для этого исследования исследователи модифицировали дрожжевую клетку, чтобы в ней был ген, который вырабатывает флуоресцентные белки, когда клетка подвергается воздействию синего света.

Вот как это работает. Область гена, называемая промотором, отвечает за контроль активности гена. В модифицированных дрожжевых клетках определенный белок связывается с промоторной областью гена. Когда исследователи освещают этот белок голубым светом, он становится восприимчивым ко второму белку. Когда второй белок связывается с первым белком, ген становится активным. И это легко обнаружить, поскольку активированный ген производит белки, которые светятся в темноте.

Затем исследователи подвергли эти дрожжевые клетки 119 различным световым узорам. Каждый световой узор отличался по интенсивности света, длине каждого светового импульса и по частоте их появления. Затем исследователи составили карту количества флуоресцентного белка, производимого клетками в ответ на каждый световой узор.

Люди говорят о том, что гены включаются или выключаются, но это не столько переключатель света, сколько переключатель яркости: ген можно активировать немного, много или где-то посередине. Если данный световой узор привел к образованию большого количества флуоресцентного белка, это означает, что световой узор сделал ген очень активным. Если световой узор привел к выработке лишь небольшого количества флуоресцентного белка, это означает, что узор вызвал только умеренную активность гена.

«Мы обнаружили, что разные световые паттерны могут давать очень разные результаты с точки зрения активности генов», – говорит Джессика Ли, первый автор статьи и недавний доктор философии. выпускник NC State. «Большим сюрпризом для нас стало то, что выход напрямую не коррелировал с входом. Мы ожидали, что чем сильнее сигнал, тем активнее будет ген. Но это было не обязательно так. Один световой узор может сделать ген значительно более активным, чем другой световой узор, даже если оба светового узора подвергают ген одинаковому количеству света ».

Исследователи обнаружили, что все три переменных светового рисунка – интенсивность света, частота световых импульсов и продолжительность каждого импульса – могут влиять на активность генов, но обнаружили, что контроль частоты световых импульсов дает им наиболее точный контроль над генами. деятельность.

«Мы также использовали здесь экспериментальные данные для разработки вычислительной модели, которая помогла нам лучше понять, почему разные паттерны вызывают разные уровни активности генов», – говорит Леандра Кейвуд, соавтор статьи и доктор философии. студент NC State.

«Например, мы обнаружили, что когда вы очень близко группируете быстрые световые импульсы, вы получаете большую активность генов, чем можно было бы ожидать от количества приложенного света», – говорит Кейвуд. «Используя модель, мы смогли определить, что это происходит, потому что белки не могут разделиться и собраться вместе достаточно быстро, чтобы реагировать на каждый импульс. По сути, белки не успевают полностью отделиться друг от друга между импульсами, поэтому они проводят больше времени в соединении, а это означает, что ген проводит больше времени в активированном состоянии. Понимание такого рода динамики очень полезно для того, чтобы помочь нам понять, как лучше контролировать активность генов с помощью этих сигналов ».

«Наше открытие относится к клеткам, которые реагируют на свет, например, в листьях», – говорит Кеунг. «Но это также говорит нам о том, что гены реагируют на паттерны сигналов, которые могут передаваться другими механизмами, кроме света».

Вот как это может выглядеть на практике. Клетка может получать химический сигнал. Присутствие химического вещества не может быть определено по образцу – оно либо присутствует, либо нет. Однако клетка может реагировать на присутствие химического вещества, создавая шаблонный сигнал для гена-мишени. Клетка делает это, контролируя скорость, с которой белок, который связывается с промоторной областью, входит и выходит из ядра клетки. Думайте об управлении присутствием и отсутствием этого белка как об отправке сообщения кода Морзе от клетки к гену. В зависимости от набора других переменных, таких как присутствие других химических веществ, клетка может точно настроить сообщение, которое она отправляет гену, чтобы модулировать его активность.

«Это говорит нам о том, что вы можете использовать один и тот же белок, чтобы передавать разные сообщения одному и тому же гену», – говорит Кеунг. «Таким образом, клетка может использовать один белок, чтобы ген по-разному реагировал на разные химические вещества».

В отдельной серии экспериментов исследователи обнаружили, что гены также могут отфильтровывать некоторые сигналы. Механика этого проста и загадочна. Исследователи могли сказать, что когда второй белок присоединяется к промоторной области гена, световые импульсы некоторых частот не запускают производство флуоресцентных белков. Короче говоря, исследователи знают, что второй белок гарантирует, что ген отвечает только на определенный набор сигналов, но исследователи не знают точно, как второй белок выполняет это.

Исследователи также обнаружили, что они могут контролировать количество различных сигналов, на которые ген может отвечать, манипулируя количеством и типом белков, прикрепленных к промоторной области гена.

Например, вы можете прикрепить белки к промоторной области, которые служат фильтрами для ограничения количества сигналов, активирующих ген. Или вы можете прикрепить белки к промоторной области, которые запускают различные степени активации гена.

«Еще одним вкладом этой работы является то, что мы определили, что можем передавать около 1,71 бита информации через промоторную область гена всего с одним присоединением белка», – говорит Ли. «На практике это означает, что ген без сложной сети белковых присоединений способен безошибочно различать более 3 сигналов. В предыдущей работе этот базовый уровень был установлен на уровне 1,55 бита, поэтому данное исследование позволяет нам лучше понять, что здесь возможно. Это фундамент, на котором мы можем опираться ».

Исследователи говорят, что эта работа позволит провести будущие исследования, которые улучшат наше понимание динамики поведения клеток и экспрессии генов.

Исследователи говорят, что в ближайшем будущем у работы есть практическое применение в фармацевтическом и биотехнологическом секторах.

«В биопроизводстве часто требуется управлять как ростом клеток, так и скоростью, с которой эти клетки производят определенные белки», – говорит Ли. «Наша работа здесь может помочь производителям точно настроить и контролировать обе эти переменные».

Статья «Картирование динамических передаточных функций регуляции эукариотических генов» будет опубликована 31 августа в журнале. Сотовые системы.