Клетки вычисляют отношения для контроля экспрессии генов

В многоклеточных организмах клетки общаются, выделяя и принимая белки — процесс, называемый сигнализацией. Один из самых распространённых сигнальных путей — путь трансформирующего фактора роста бета (Tgf-β). Он работает у всех видов животных на протяжении всей жизни и регулирует множество биологических процессов, например, указывает клеткам, как дифференцироваться — станет ли стволовая клетка мышечной или костной.

Но как клетки расшифровывают эти сигналы и используют информацию для управления экспрессией генов? Согласно новому исследованию лаборатории Леи Гоэнторо из Caltech, ответ прост: клетки выполняют деление. Другими словами, они занимаются математикой.

Результаты, опубликованные в Proceedings of the National Academy of Sciences, противоречат прежним гипотезам о том, как клетки интерпретируют сигналы.

"Мы обнаружили, что клетки способны отслеживать количество определённого белка во времени и каким-то образом делят его количество после сигнала Tgf-β на количество до сигнала. Затем клетка использует это отношение, чтобы соответствующим образом скорректировать экспрессию генов", — говорит Гоэнторо.

Сигнал Tgf-β запускает серию молекулярных взаимодействий, приводящих к изменению количества белка Smad3. Этот белок-мессенджер активируется у клеточной мембраны и в итоге попадает в ядро, где направляет экспрессию генов. Ранее считалось, что степень изменения экспрессии генов зависит от того, сколько белка Smad произведено после воздействия Tgf-β.

Изучая ответ Smad на Tgf-β в реальном времени, исследователи обнаружили, что путь ведёт себя не так, как предполагалось. После воздействия сигнала Smad3 действительно перемещался в ядро, но его количество значительно различалось в каждой клетке. При этом отношение количества Smad3 после сигнала к количеству до сигнала было постоянным в каждой клетке.

Это наблюдение привело к гипотезе, что клетки вычисляют это отношение, и генный ответ пропорционален этому относительному изменению, а не абсолютному количеству Smad3.

Измерения подтвердили, что экспрессия целевых генов зависела только от отношения Smad3, а не от того, сколько Smad3 было в клетке.

"До этой работы исследователи, пытаясь охарактеризовать свойства опухоли, могли измерить общее количество Smad в клетках. Наши результаты показывают, что вместо этого нужно измерять изменение Smad во времени", — отмечает Гоэнторо.

"Большой вопрос теперь: как клетка вычисляет это отношение и затем соответствующим образом регулирует экспрессию генов?" — говорит ведущий автор работы Кристофер Фрик.