Новая теория объясняет, как и почему клетки дифференцируются

Ученые из Университета Райса создали математический инструмент для анализа крупных реалистичных генетических сетей. Их работа, опубликованная в Proceedings of the National Academy of Sciences, показывает, что процесс дифференцировки стволовых клеток является многочастичной проблемой.

Модель генетической сети

• Исследователи Питер Волайнс и Бин Чжан разработали упрощенную, но точную модель, основанную на теории 2003 года.
• Модель учитывает, как несколько различных белков связываются с ДНК, чтобы включить или выключить ген, что более реалистично, чем предыдущие подходы.
• Ключевым был теоретический подход для определения путей и скоростей перехода между устойчивыми состояниями клетки.

Эпигенетический ландшафт и аттракторы

• Работа развивает идею эпигенетического ландшафта К.Х. Уоддингтона (1942 г.), сравнивающего дифференцировку с шариком, катящимся по склону долины.
• В генетических сетях обратные связи (feedback loops) создают аттракторы — устойчивые состояния, к которым притягивается система.
• Клетка движется от одного аттрактора к другому по определенному пути, что объясняет, почему процесс не является ни полностью случайным, ни строго пошаговым.

Результаты и перспективы

• Модель объяснила экспериментально наблюдаемые флуктуации в экспрессии ключевого белка nanog, поддерживающего плюрипотентность.
• Расчеты показали более высокий уровень экспрессии гена nanog в основном состоянии стволовой клетки (SC1), чем в следующем (SC2), что совпало с экспериментальными данными.
• Это начало для масштабирования подхода на полные программы развития организмов с сотнями генов.