2023 Forfatter: Kaylee MacAlister | [email protected]. Sidst ændret: 2023-05-21 07:59
Det viser en ny undersøgelse fra North Carolina State University gener er i stand til at identificere og reagere på kodet information i lyssignaler samt fuldstændigt filtrere nogle signaler ud. Forskning viser, hvordan den samme mekanisme kan forårsage forskellig adfærd for det samme gen, og kan finde applikationer i bioteknologisektoren.
”Den grundlæggende idé er det det er muligt at kode information i dynamikken i det signal, som genet modtager"siger Albert Keung, medforfatter af papiret og assisterende professor i kemisk og biomolekylær teknik ved NC State." Så i stedet for bare at være til stede eller ej, er det vigtigt, hvordan det præsenteres."
Til denne undersøgelse forskere ændrede en gærcelle til at indeholde et gen, der producerer fluorescerende proteiner, når cellen udsættes for blåt lys.
Sådan fungerer det. En region af et gen kaldet en promotor er ansvarlig for at kontrollere genaktiviteten. I modificerede gærceller bindes et specifikt protein til promotorregionen af genet. Når forskere belyser dette protein med blåt lys, bliver det modtageligt for et andet protein. Når det andet protein binder til det første, bliver genet aktivt. Og det er let at få øje på, fordi det aktiverede gen producerer proteiner, der lyser i mørket.
Derefter forskere udsatte disse gærceller for 119 forskellige lysmønstre … Hvert lysmønster var forskelligt i lysintensitet, varighed af hver lyspuls og pulsfrekvens. Forskerne kvantificerede derefter mængden af fluorescerende protein, cellerne producerede som reaktion på hvert lysmønster.
De indhentede data indikerer det gener tænder eller slukkermen det er mindre som en lyskontakt og mere som en vippekontakt - gen kan aktiveres lidt, meget eller et sted midt imellem. Hvis et givet lysmønster resulterede i produktion af en stor mængde fluorescerende protein, betyder det, at dette lysmønster gjorde genet meget aktivt. Hvis det lyse mønster producerede en lille mængde fluorescerende protein, betød det, at mønsteret kun forårsagede svag genaktivitet.
"Vi har fundet ud af, at forskellige lysmønstre kan producere meget forskellige resultater med hensyn til genaktivitet," siger Jessica Lee, første forfatter til papiret og en nylig ph.d. -kandidat fra NC State. "Den store overraskelse for os var, at output ikke var direkte relateret til input. Vi forventede, at jo stærkere signalet var, desto mere aktivt ville genet være. Men det var ikke nødvendigvis tilfældet. Et lysmønster kunne lave et gen betydeligt mere aktiv end en anden. selvom begge mønstre udsatte genet for den samme mængde lys."
Forskerne fandt ud af, at alle tre lysmønstervariabler - lysintensitet, lyspulsfrekvens og varighed af hver puls - kunne påvirke genaktiviteten, men de fandt ud af, at Kontrol af frekvensen af lysimpulser giver dem den mest nøjagtige kontrol over genaktivitet.
"Vi brugte også vores eksperimentelle data til at udvikle en beregningsmodel, der hjalp os med bedre at forstå, hvorfor forskellige kredsløb forårsager forskellige niveauer af genaktivitet," siger Leandra Caywood, medforfatter af papiret og en kandidatstuderende ved NC State.
"For eksempel fandt vi ud af, at når hurtige lyspulser er meget tæt på hinanden, får vi højere genaktivitet, end man kunne forvente af mængden af lys," siger Keywood. "Ved hjælp af modellen kunne vi fastslå, at det er fordi proteiner ikke kan dissociere og klumpe sig sammen hurtigt nok til at reagere på hver impuls. Faktisk har proteiner ikke tid til helt at adskille sig fra hinanden mellem impulser, så de bruger mere tid i forbindelse - det betyder, at genet tilbringer mere tid i en aktiveret tilstand. At forstå denne slags dynamik er meget nyttig til at hjælpe os med at forstå, hvordan vi bedre kan kontrollere genaktivitet gennem disse signaler."
"Vores fund er relevant for lysfølsomme celler, såsom dem, der findes i blade," siger Keung.”Men det fortæller os også det gener reagerer på signaler, der ikke kun kan afgives af lys, men også af andre mekanismer".
En kommentar: hvis DNA'et er en slags antenne, kan langt de fleste celler fås til at reagere på visse signaler
Overvej det styring af tilstedeværelse og fravær af dette protein er transmissionen af en morsekodebesked fra celle til gen. Afhængig af mange andre variabler - såsom tilstedeværelsen af andre kemikalier - kan cellen finjustere den besked, den sender til genet for at modulere dens aktivitet.
"Det fortæller os det det samme protein kan bruges til at overføre forskellige meddelelser til det samme genKeung siger: "Så en celle kan bruge et protein til at få et gen til at reagere forskelligt på forskellige kemikalier."
I en separat række eksperimenter fandt forskerne, at gener også er i stand til at filtrere bestemte signaler fra. Mekanikken i dette fænomen er både enkel og mystisk … Forskerne var i stand til at bestemme, at når et andet protein binder til promotorregionen af et gen, udløser visse frekvenser af lyspulserne ikke produktionen af fluorescerende proteiner. Kort sagt ved forskerne, at det andet protein sikrer, at genet kun reagerer på et bestemt sæt signaler - men forskerne ved ikke præcis, hvordan det andet protein gør dette.
Forskerne fandt også ud af, at de kan styre antallet af forskellige signaler, et gen kan reagere påved at manipulere antallet og typen af proteiner knyttet til promotorregionen af genet.
F.eks. Kan proteiner bindes til promotorregionen, der fungerer som filtre, der begrænser antallet af signaler, der aktiverer et gen. Eller proteiner kan bindes til promotorregionen, der forårsager varierende grader af genaktivering.
”Et yderligere bidrag til dette arbejde er, at vi har bestemt det vi kan overføre omkring 1,71 bits information gennem promotorregionen af genet med kun et protein", siger Lee. I praksis betyder det, at genet, uden et komplekst netværk af proteinvedhæftninger, er i stand til nøjagtigt at skelne mellem mere end 3 signaler". I tidligere arbejde blev denne baseline sat til 1,55 bit, så denne undersøgelse udvider vores forståelse af, hvad der er muligt her. Dette er det grundlag, som vi kan bygge på."
Forskerne siger, at dette arbejde muliggør fremtidig forskning, der vil fremme vores forståelse af dynamikken i celle adfærd og genekspression.
På kort sigt kan arbejdet ifølge forskerne finde praktisk anvendelse inden for farmaceutisk og bioteknologisk sektorer.
"I bioproduktion skal du ofte kontrollere både væksten af celler og den hastighed, hvormed disse celler danner visse proteiner," siger Lee."Vores arbejde kan hjælpe producenterne med at finjustere og kontrollere begge disse variabler."
Dette arbejde blev støttet af National Science Foundation under Grant 1830910 "New Frontiers in Research and Innovation" og National Institutes of Health under Grant 5T32GM133366.