Гены реагируют на закодированную информацию в световых сигналах

Новое исследование Университета штата Северная Каролина показывает, что гены способны идентифицировать и реагировать на закодированную информацию в световых сигналах, а также полностью отфильтровывать некоторые сигналы. Исследование показывает, как один и тот же механизм может вызвать различное поведение одного и того же гена, и может найти применение в биотехнологическом секторе.

"Фундаментальная идея заключается в том, что можно закодировать информацию в динамике сигнала, который получает ген", - говорит Альберт Кеунг, соавтор статьи и доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии в NC State. "Таким образом, вместо того, чтобы сигнал просто присутствовал или отсутствовал, важно то, как он подается".

Для этого исследования ученые модифицировали дрожжевую клетку так, чтобы в ней был ген, который производит флуоресцентные белки, когда клетка подвергается воздействию синего света.

Вот как это работает. Область гена, называемая промотором, отвечает за контроль активности гена. В модифицированных дрожжевых клетках специфический белок связывается с промоторной областью гена. Когда исследователи освещают этот белок синим светом, он становится восприимчивым ко второму белку. Когда второй белок связывается с первым, ген становится активным. И это легко обнаружить, поскольку активированный ген производит белки, которые светятся в темноте.

Затем исследователи подвергли эти дрожжевые клетки воздействию 119 различных световых моделей. Каждый световой паттерн отличался по интенсивности света, длительности каждого импульса света и частоте импульсов. Затем исследователи определили количество флуоресцентного белка, который клетки вырабатывали в ответ на каждый световой паттерн.

Полученные данные говорят о том, что гены включаются или выключаются, но это меньше похоже на выключатель света и больше на тумблер - ген может быть активирован немного, много или где-то посередине. Если данный световой паттерн привел к производству большого количества флуоресцентного белка, это означает, что данный световой паттерн сделал ген очень активным. Если световой паттерн приводил к образованию небольшого количества флуоресцентного белка, это означало, что паттерн вызывал лишь слабую активность гена.

"Мы обнаружили, что различные световые модели могут приводить к очень разным результатам в плане активности генов", - говорит Джессика Ли, первый автор статьи и недавний выпускник докторантуры NC State. "Большим сюрпризом для нас стало то, что выход не был напрямую связан с входом. Мы ожидали, что чем сильнее сигнал, тем активнее будет ген. Но это не обязательно было так. Один световой паттерн мог сделать ген значительно более активным, чем другой, даже если оба паттерна подвергали ген одинаковому количеству света".

Исследователи обнаружили, что все три переменные светового паттерна - интенсивность света, частота световых импульсов и длительность каждого импульса - могут влиять на активность генов, но обнаружили, что контроль частоты световых импульсов дает им наиболее точный контроль над активностью генов.

"Мы также использовали полученные экспериментальные данные для разработки вычислительной модели, которая помогла нам лучше понять, почему различные схемы вызывают различные уровни генной активности", - говорит Леандра Кейвуд, соавтор статьи и аспирант NC State.

"Например, мы обнаружили, что при очень близком расположении друг к другу быстрых импульсов света мы получаем более высокую активность генов, чем можно было бы ожидать от количества подаваемого света", - говорит Кейвуд. "Используя модель, мы смогли определить, что это происходит потому, что белки не могут достаточно быстро разъединяться и собираться вместе, чтобы реагировать на каждый импульс. По сути, белки не успевают полностью отделиться друг от друга между импульсами, поэтому они проводят больше времени в соединении - это означает, что ген проводит больше времени в активированном состоянии. Понимание такого рода динамики очень полезно для того, чтобы помочь нам понять, как лучше контролировать активность генов с помощью этих сигналов".

"Наша находка актуальна для клеток, реагирующих на свет, таких как те, что находятся в листьях", - говорит Кеунг. "Но это также говорит нам о том, что гены реагируют на сигналы, которые могут доставляться не только светом, но и другими механизмами".

Комментарий: если ДНК представляет собой своего рода антенну, возможно, подавляющее большинство клеток может быть заставлено реагировать на определенные сигналы

Считайте, что управление присутствием и отсутствием этого белка - это передача сообщения азбукой Морзе от клетки к гену. В зависимости от множества других переменных - таких как присутствие других химических веществ - клетка может точно настроить сообщение, которое она посылает гену, чтобы модулировать его активность.

"Это говорит нам о том, что один и тот же белок можно использовать для передачи различных сообщений одному и тому же гену", - говорит Кеунг. "Таким образом, клетка может использовать один белок, чтобы заставить ген по-разному реагировать на различные химические вещества".

В ходе отдельной серии экспериментов исследователи обнаружили, что гены также способны отфильтровывать некоторые сигналы. Механика этого явления одновременно проста и загадочна. Исследователи смогли определить, что когда второй белок присоединяется к промоторной области гена, некоторые частоты световых импульсов не вызывают выработку флуоресцентных белков. Короче говоря, исследователи знают, что второй белок гарантирует, что ген отвечает только на определенный набор сигналов - но исследователи не знают, как именно второй белок этого добивается.

Исследователи также обнаружили, что они могут контролировать количество различных сигналов, на которые может реагировать ген, манипулируя количеством и типом белков, присоединенных к промоторной области гена.

Например, можно присоединить к промоторной области белки, которые служат в качестве фильтров, ограничивающих количество сигналов, активирующих ген. Или можно присоединить к промоторной области белки, которые вызывают различные степени активации гена.

"Дополнительный вклад этой работы заключается в том, что мы определили, что можем передать около 1,71 бита информации через промоторную область гена с помощью всего лишь одного белка", - говорит Ли. В практическом плане это означает, что ген, не имея сложной сети белковых вложений, способен безошибочно различать более 3 сигналов". В предыдущих работах этот базовый уровень был установлен на уровне 1,55 бита, поэтому данное исследование расширяет наше понимание того, что здесь возможно. Это основа, на которую мы можем опираться".

Исследователи говорят, что эта работа позволяет проводить будущие исследования, которые продвинут наше понимание динамики поведения клеток и экспрессии генов.

В ближайшей перспективе, по словам исследователей, работа может найти практическое применение в фармацевтическом и биотехнологическом секторах.

"В биопроизводстве часто требуется управлять как ростом клеток, так и скоростью, с которой эти клетки производят определенные белки", - говорит Ли. "Наша работа может помочь производителям точно настроить и контролировать обе эти переменные".

Работа была выполнена при поддержке Национального научного фонда в рамках гранта 1830910 "Новые рубежи в исследованиях и инновациях" и Национальных институтов здравоохранения в рамках гранта 5T32GM133366.