Учёные обнаружили, что клетки ритмично регулируют свои гены
Даже в спокойной, неизменной среде клетки не статичны. Среди прочего, они активируют, а затем деактивируют некоторые типы транскрипционных факторов — белков, контролирующих экспрессию генов — в виде серии непредсказуемых и прерывистых импульсов. С момента открытия этого феномена пульсации учёные задавались вопросом, какую функцию он может выполнять.
Новое исследование учёных из Caltech показывает, что пульсация позволяет двум белкам взаимодействовать друг с другом ритмичным образом, что позволяет им контролировать гены. В частности, когда экспрессия транскрипционных факторов входит и выходит из синхронизации, экспрессия генов также возрастает и снижается. Эти ритмы активации, по словам исследователей, могут лежать в основе ключевых процессов в клетках организмов из разных царств жизни.
«То, как импульсы транскрипционных факторов синхронизируются друг с другом во времени, может играть важную роль в способности клеток обрабатывать информацию, общаться с другими клетками и реагировать на стресс», — говорит соавтор статьи Майкл Эловиц.
Исследование, проведённое под руководством постдока Caltech Ихан Лин, опубликовано в выпуске журнала Nature от 15 октября.
Новый взгляд на регуляцию генов
В 2008 году Кай, Далал и Эловиц сообщили о функциональной роли пульсации транскрипционных факторов. С тех пор учёные по всему миру обнаруживали аналогичные всплески белковой активности в различных типах клеток и генетических системах.
Осознав, что многие разные факторы пульсируют в одной и той же клетке даже в неизменных условиях, учёные из Caltech предположили, что клетки могут регулировать относительное время этих импульсов для обеспечения нового типа временно́й регуляции. Чтобы выяснить это, они создали покадровые видеозаписи для наблюдения за двумя пульсирующими белками и целевым геном в реальном времени в отдельных клетках дрожжей.
Команда пометила два ключевых транскрипционных фактора, Msn2 и Mig1, зелёным и красным флуоресцентными белками соответственно. Когда транскрипционные факторы активируются, они перемещаются в ядро, где влияют на экспрессию генов. Это перемещение, как и активация факторов, визуализируется, поскольку флуоресцентные маркеры концентрируются в малом объёме ядра, заставляя его ярко светиться зелёным, красным или обоими цветами. Выбор цвета был символичным: Msn2 служит активатором, а Mig1 — репрессором.
Ритм как ответ на стресс
Когда учёные подвергали клетки дрожжей стрессу (например, нагреванием или ограничением пищи), импульсы Msn2 и Mig1 меняли своё время относительно друг друга, с более или менее частыми периодами наложения их импульсов в зависимости от стимула.
В целом, когда два транскрипционных фактора пульсировали синхронно, репрессор блокировал способность активатора включать гены. Но когда они были не в такт, и активатор пульсировал без репрессора, экспрессия генов увеличивалась. В результате этих изменённых стрессом ритмов клетки успешно производили больше (или меньше) копий определённых белков, помогающих дрожжам справляться с неблагоприятной ситуацией.
Время так же важно, как концентрация
Ранее считалось, что относительная концентрация нескольких транскрипционных факторов в ядре определяет, как они регулируют общую генную мишень — явление, известное как комбинаторная регуляция. Но новое исследование предполагает, что относительное время импульсов транскрипционных факторов может быть так же важно, как и их концентрация.
«Большинство генов в клетке регулируются несколькими транскрипционными факторами комбинаторным образом, как части сложной сети. Теперь мы видим новый режим регуляции, который контролирует время импульсов транскрипционных факторов, и это может иметь решающее значение для понимания комбинаторной регуляции в генетических сетях», — говорит Лонг Кай.
«Похоже, в клетке существует уровень временно́й регуляции, который из-за возможности наблюдать его только с помощью видеосъёмки отдельных клеток всё ещё в значительной степени не изучен», — говорит Ихан Лин.
В будущих исследованиях учёные попытаются понять, насколько распространён этот новый режим временно́й регуляции в различных типах клеток, и изучат его роль в системах регуляции генов. В контексте синтетической биологии исследователи также надеются разработать методы контроля такой пульсации для программирования нового клеточного поведения.