Geny mohou reagovat na kódované informace světelnými signály

Geny mohou reagovat na kódované informace světelnými signály
Geny mohou reagovat na kódované informace světelnými signály
Anonim

Ukazuje to nová studie ze Státní univerzity v Severní Karolíně geny jsou schopny identifikovat a reagovat na zakódované informace ve světelných signálech, a také zcela odfiltrovat některé signály. Výzkum ukazuje, jak stejný mechanismus může způsobit různé chování stejného genu, a může najít uplatnění v biotechnologickém sektoru.

„Základní myšlenka je, že je možné kódovat informace v dynamice signálu, který gen přijímá"říká Albert Keung, spoluautor příspěvku a odborný asistent chemického a biomolekulárního inženýrství ve státě NC." Takže místo toho, aby byl jen přítomen nebo ne, záleží na tom, jak je prezentován."

Pro tuto studii vědci upravili kvasinkovou buňku tak, aby obsahovala gen, který produkuje fluorescenční proteiny, když je buňka vystavena modrému světlu.

Takhle to funguje. Oblast genu nazývaná promotor je zodpovědná za řízení genové aktivity. V modifikovaných kvasinkových buňkách se specifický protein váže na promotorovou oblast genu. Když vědci osvětlí tento protein modrým světlem, stane se citlivým na druhý protein. Když se druhý protein váže na první, gen se aktivuje. A to je snadné zjistit, protože aktivovaný gen produkuje bílkoviny, které ve tmě září.

Pak výzkumníci vystavil tyto kvasinkové buňky 119 různých světelných obrazců … Každý světelný vzorec se lišil intenzitou světla, délkou trvání každého světelného impulsu a frekvencí pulsu. Vědci poté kvantifikovali množství fluorescenčního proteinu, který buňky produkovaly v reakci na každý světelný obrazec.

Získaná data tomu nasvědčují geny se zapínají nebo vypínajíale je to méně jako spínač světla a spíše jako přepínač - gen lze aktivovat málo, hodně nebo někde mezi tím. Pokud daný světelný obrazec vedl k produkci velkého množství fluorescenčního proteinu, znamená to, že tento světelný obrazec učinil gen velmi aktivním. Pokud světelný obrazec produkoval malé množství fluorescenčního proteinu, znamenalo to, že obrazec způsobil pouze slabou genovou aktivitu.

„Zjistili jsme, že různé světelné vzory mohou produkovat velmi odlišné výsledky, pokud jde o genovou aktivitu,“říká Jessica Lee, první autorka článku a nedávný absolvent NC State PhD. "Velkým překvapením pro nás bylo, že výstup nesouvisel přímo se vstupem. Očekávali jsme, že čím silnější bude signál, tím bude gen aktivnější. To ale nutně neplatilo. Jeden světelný obrazec by mohl gen výrazně vytvořit." aktivnější než ostatní. i když oba vzory vystavily gen stejnému množství světla. “

Vědci zjistili, že všechny tři proměnné světelného vzoru - intenzita světla, frekvence světelných pulzů a doba trvání každého pulzu - mohou ovlivnit genovou aktivitu, ale zjistili, že Řízení frekvence světelných pulzů jim dává nejpřesnější kontrolu nad genovou aktivitou.

"Použili jsme také naše experimentální data k vývoji výpočetního modelu, který nám pomohl lépe pochopit, proč různé obvody způsobují různé úrovně genové aktivity," říká Leandra Caywood, spoluautor článku a postgraduální student v NC State.

„Například jsme zjistili, že když jsou rychlé pulsy světla velmi blízko sebe, získáme vyšší genovou aktivitu, než by se očekávalo od množství dodávaného světla,“říká Keywood. "Pomocí modelu jsme byli schopni určit, že je to proto, že proteiny se nemohou disociovat a shlukovat se dostatečně rychle na to, aby reagovaly na každý impuls. Ve skutečnosti proteiny nemají čas na to, aby se mezi sebou navzájem zcela oddělily mezi impulsy, takže tráví více času." ve spojení - to znamená, že gen tráví více času v aktivovaném stavu. Porozumění těmto druhům dynamiky je velmi užitečné, protože nám pomáhá porozumět tomu, jak prostřednictvím těchto signálů lépe kontrolovat genovou aktivitu. “

"Naše zjištění je relevantní pro buňky citlivé na světlo, jako jsou ty, které se nacházejí v listech," říká Keung. „Ale také nám to říká geny reagují na signály, které mohou být dodávány nejen světlem, ale také jinými mechanismy".

Komentář: pokud je DNA nějakým druhem antény, možná lze převážnou většinu buněk přimět reagovat na určité signály

Zvažte to řízení přítomnosti a nepřítomnosti tohoto proteinu je přenos zprávy Morseovy abecedy z buňky do genu. V závislosti na mnoha dalších proměnných - jako je přítomnost jiných chemikálií - může buňka doladit zprávu, kterou vysílá do genu, a tím modulovat její aktivitu.

„To nám to říká stejný protein lze použít k přenosu různých zpráv do stejného genuKeung říká: „Buňka tedy může použít jeden protein k tomu, aby gen reagoval odlišně na různé chemikálie.“

V samostatné sérii experimentů vědci zjistili, že geny jsou také schopné filtrovat určité signály. Mechanika tohoto jevu je jednoduchá a tajemný … Vědci dokázali určit, že když se druhý protein váže na promotorovou oblast genu, určité frekvence světelných pulzů nespustí produkci fluorescenčních proteinů. Stručně řečeno, vědci vědí, že druhý protein zajišťuje, že gen reaguje pouze na určitý soubor signálů - ale vědci nevědí přesně, jak to druhý protein dělá.

Vědci také zjistili, že ano může řídit počet různých signálů, na které může gen reagovatmanipulací s počtem a typem proteinů připojených k promotorové oblasti genu.

Proteiny mohou být například připojeny k oblasti promotoru, které slouží jako filtry, které omezují počet signálů, které aktivují gen. Nebo mohou být k oblasti promotoru připojeny proteiny, které způsobují různé stupně genové aktivace.

„Dalším přínosem této práce je, že jsme to určili můžeme přenést asi 1,71 bitů informací přes promotorovou oblast genu pouze s jedním proteinem"říká Lee. V praxi to znamená gen, bez složité sítě proteinových příloh, je schopen přesně rozlišit více než 3 signály". V předchozí práci byla tato základní linie nastavena na 1,55 bitů, takže tato studie rozšiřuje naše chápání toho, co je zde možné. Toto je základ, na kterém můžeme stavět."

Vědci tvrdí, že tato práce umožňuje budoucí výzkum, který posílí naše chápání dynamiky chování buněk a genové exprese.

V krátkodobém horizontu může podle výzkumníků práce najít praktické uplatnění ve farmaceutickém a biotechnologické sektorů.

„V bioprodukci často potřebujete kontrolovat jak růst buněk, tak rychlost, jakou tyto buňky vytvářejí určité proteiny,“říká Lee.„Naše práce může výrobcům pomoci doladit a kontrolovat obě tyto proměnné.“

Tato práce byla podpořena Národní vědeckou nadací v rámci grantu 1830910 „Nové hranice ve výzkumu a inovacích“a National Institutes of Health v rámci grantu 5T32GM133366.

Doporučuje: