Гены могут реагировать на закодированную информацию в сигналах или полностью их фильтровать
Новое исследование Университета штата Северная Каролина показывает, что гены способны распознавать и реагировать на закодированную информацию в световых сигналах, а также полностью отфильтровывать некоторые сигналы. Работа демонстрирует, как один механизм может вызывать разное поведение одного и того же гена, и имеет применение в биотехнологическом секторе.
«Фундаментальная идея в том, что вы можете закодировать информацию в динамике сигнала, который получает ген», — говорит Альберт Кён, автор работы. — Так что имеет значение не просто наличие или отсутствие сигнала, а то, как этот сигнал представлен».
Для исследования модифицировали дрожжевую клетку, добавив ген, который производит флуоресцентные белки при воздействии синего света.
Как это работает:
- Промоторная область гена контролирует его активность.
- В модифицированных клетках специфический белок связывается с промотором.
- При освещении синим светом этот белок становится восприимчивым ко второму белку.
- Связывание второго белка активирует ген, что легко обнаружить по свечению производимых белков.
Исследователи подвергли клетки 119 различным световым паттернам, которые различались по:
- Интенсивности света
- Длительности каждого импульса
- Частоте импульсов
Затем они измерили количество произведенного флуоресцентного белка в ответ на каждый паттерн.
Ключевой вывод: Разные световые паттерны вызывали очень разную активность гена. Результат не был напрямую связан с входным сигналом. Один паттерн мог активировать ген значительно сильнее другого, даже при одинаковом общем количестве света.
- Все три переменные (интенсивность, длительность, частота) влияли на активность гена.
- Наиболее точный контроль над активностью гена обеспечивало управление частотой световых импульсов.
Моделирование и механизм:
- На основе экспериментальных данных создали вычислительную модель.
- Обнаружили, что при очень близком расположении быстрых световых импульсов активность гена выше ожидаемой.
- Причина: белки не успевают полностью разделиться между импульсами, поэтому дольше остаются связанными, продлевая активацию гена.
Широкие последствия:
- Открытие актуально для светочувствительных клеток (например, в листьях).
- Оно также показывает, что гены реагируют на паттерны сигналов, которые могут доставляться не только светом.
- Клетка может преобразовывать простое наличие химического сигнала в паттернированный сигнал для гена, контролируя скорость входа и выхода связывающего белка в ядро — подобно отправке сообщения азбукой Морзе.
- «Клетка может использовать один белок, чтобы заставить ген по-разному реагировать на разные химические вещества», — поясняет Кён.
Фильтрация сигналов:
В отдельных экспериментах гены также показали способность фильтровать некоторые сигналы.
- Когда второй белок присоединялся к промотору, некоторые частоты световых импульсов не запускали производство флуоресцентных белков.
- Исследователи установили, что второй белок обеспечивает реакцию гена только на определенный набор сигналов, но точный механизм этого явления пока неизвестен.
Управление количеством сигналов:
Количество и тип белков, присоединенных к промотору, позволяют контролировать, на сколько различных сигналов может реагировать ген.
- Белки могут служить фильтрами, ограничивающими количество активирующих сигналов.
- Белки могут вызывать разную степень активации гена.
Информационная емкость:
- Установлено, что через промоторную область гена с одним присоединенным белком можно передать около 1.71 бита информации.
- На практике это означает, что ген способен безошибочно различать более 3 сигналов без сложной сети белковых присоединений (предыдущая оценка составляла 1.55 бита).
Значение и применение:
- Работа закладывает основу для будущих исследований динамики поведения клеток и экспрессии генов.
- В краткосрочной перспективе есть практическое применение в фармацевтике и биотехнологиях.
- «В биопроизводстве часто нужно управлять как ростом клеток, так и скоростью производства ими конкретных белков. Наша работа может помочь производителям точно настраивать и контролировать обе эти переменные», — говорит Джессика Ли, первый автор статьи.
Статья "Mapping the Dynamic Transfer Functions of Eukaryotic Gene Regulation" будет опубликована 31 августа в журнале Cell Systems.