Gene können auf codierte Informationen in Lichtsignalen reagieren
Gene können auf codierte Informationen in Lichtsignalen reagieren
Anonim

Das zeigt eine neue Studie der North Carolina State University Gene sind in der Lage, kodierte Informationen in Lichtsignalen zu erkennen und darauf zu reagieren sowie einige Signale vollständig herauszufiltern. Die Forschung zeigt, wie der gleiche Mechanismus unterschiedliche Verhaltensweisen des gleichen Gens verursachen kann, und finden Anwendungen im Bereich Biotechnologie.

„Die Grundidee ist, dass es ist möglich, Informationen in der Dynamik des Signals zu kodieren, das das Gen empfängt", sagt Albert Keung, Co-Autor des Artikels und Assistenzprofessor für Chemie- und Biomolekulartechnik an der NC State. "Anstatt nur anwesend zu sein oder nicht, kommt es also darauf an, wie es präsentiert wird."

Für diese Studie Wissenschaftler modifizierten eine Hefezelle, um ein Gen zu enthalten, das fluoreszierende Proteine ​​​​produziert, wenn die Zelle blauem Licht ausgesetzt wird.

So funktioniert es. Eine Region eines Gens, die als Promotor bezeichnet wird, ist für die Kontrolle der Genaktivität verantwortlich. In modifizierten Hefezellen bindet ein spezifisches Protein an die Promotorregion des Gens. Wenn Forscher dieses Protein mit blauem Licht beleuchten, wird es anfällig für ein zweites Protein. Wenn das zweite Protein an das erste bindet, wird das Gen aktiv. Und das ist leicht zu erkennen, denn das aktivierte Gen produziert Proteine, die im Dunkeln leuchten.

Dann Forscher diese Hefezellen 119 verschiedenen Lichtmustern ausgesetzt… Jedes Lichtmuster unterschied sich in Lichtintensität, Dauer jedes Lichtpulses und Pulsfrequenz. Die Forscher quantifizierten dann die Menge an fluoreszierendem Protein, die die Zellen als Reaktion auf jedes Lichtmuster produzierten.

Die erhaltenen Daten zeigen, dass Gene schalten sich ein oder ausaber es ist weniger wie ein Lichtschalter und mehr wie ein Kippschalter - Gen kann aktiviert werden ein bisschen, viel oder irgendwo dazwischen. Wenn ein bestimmtes Lichtmuster zur Produktion einer großen Menge an fluoreszierendem Protein führte, bedeutet dies, dass dieses Lichtmuster das Gen sehr aktiv machte. Wenn das Lichtmuster eine kleine Menge an fluoreszierendem Protein produzierte, bedeutete dies, dass das Muster nur eine schwache Genaktivität verursachte.

„Wir haben festgestellt, dass verschiedene Lichtmuster in Bezug auf die Genaktivität zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen führen können“, sagt Jessica Lee, Erstautorin des Artikels und kürzlich Absolventin des NC State PhD. "Die große Überraschung für uns war, dass der Output nicht direkt mit dem Input zusammenhing. Wir erwarteten, dass das Gen umso aktiver ist, je stärker das Signal ist. Aber das war nicht unbedingt der Fall. Ein Lichtmuster könnte ein Gen signifikant machen." aktiver als ein anderes, selbst wenn beide Muster das Gen der gleichen Lichtmenge ausgesetzt haben.

Die Forscher fanden heraus, dass alle drei Lichtmustervariablen – Lichtintensität, Lichtpulsfrequenz und die Dauer jedes Pulses – die Genaktivität beeinflussen können, aber sie fanden heraus, dass Die Kontrolle der Frequenz von Lichtimpulsen gibt ihnen die genaueste Kontrolle über die Genaktivität.

„Wir nutzten unsere experimentellen Daten auch, um ein Rechenmodell zu entwickeln, das uns dabei half, besser zu verstehen, warum verschiedene Schaltkreise unterschiedliche Grade der Genaktivität verursachen“, sagt Leandra Caywood, Mitautorin des Artikels und Doktorandin an der NC State.

„Wir haben beispielsweise herausgefunden, dass wir, wenn schnelle Lichtpulse sehr nahe beieinander liegen, eine höhere Genaktivität erhalten, als man von der zugeführten Lichtmenge erwarten würde“, sagt Keywood. "Mit dem Modell konnten wir feststellen, dass dies daran liegt, dass Proteine ​​nicht schnell genug dissoziieren und verklumpen können, um auf jeden Impuls zu reagieren. Tatsächlich haben Proteine ​​​​nicht die Zeit, sich zwischen den Impulsen vollständig voneinander zu trennen, sodass sie mehr Zeit verbringen." in Verbindung - dies bedeutet, dass das Gen mehr Zeit in einem aktivierten Zustand verbringt. Das Verständnis dieser Art von Dynamik ist sehr nützlich, um zu verstehen, wie wir die Genaktivität durch diese Signale besser steuern können."

„Unser Befund ist relevant für lichtempfindliche Zellen, wie sie in Blättern vorkommen“, sagt Keung. "Aber es sagt uns auch, dass Gene reagieren auf Signale, die nicht nur durch Licht, sondern auch durch andere Mechanismen geliefert werden können".

Ein Kommentar: Wenn die DNA eine Art Antenne ist, kann vielleicht die überwiegende Mehrheit der Zellen dazu gebracht werden, auf bestimmte Signale zu reagieren

Berücksichtige das Die Kontrolle der Anwesenheit und Abwesenheit dieses Proteins ist die Übertragung einer Morse-Code-Botschaft von Zelle zu Gen. Abhängig von vielen anderen Variablen - wie dem Vorhandensein anderer Chemikalien - kann die Zelle die Nachricht, die sie an das Gen sendet, feinabstimmen, um seine Aktivität zu modulieren.

„Das sagt uns, dass dasselbe Protein kann verwendet werden, um verschiedene Botschaften an dasselbe Gen zu übermittelnKeung sagt: "Eine Zelle kann also ein Protein verwenden, damit ein Gen unterschiedlich auf verschiedene Chemikalien reagiert."

In einer separaten Versuchsreihe fanden die Forscher heraus, dass Gene auch in der Lage sind, bestimmte Signale herauszufiltern. Die Mechanik dieses Phänomens ist sowohl einfach als auch mysteriös… Die Forscher konnten feststellen, dass bei der Bindung eines zweiten Proteins an die Promotorregion eines Gens bestimmte Frequenzen der Lichtpulse nicht die Produktion fluoreszierender Proteine ​​auslösen. Kurzum, die Forscher wissen, dass das zweite Protein dafür sorgt, dass das Gen nur auf bestimmte Signale reagiert – aber wie das zweite Protein genau das macht, wissen die Forscher nicht.

Die Forscher fanden auch heraus, dass sie kann die Anzahl der verschiedenen Signale steuern, auf die ein Gen reagieren kanndurch Manipulation der Anzahl und Art von Proteinen, die an die Promotorregion des Gens angehängt sind.

Beispielsweise können Proteine ​​an die Promotorregion angehängt werden, die als Filter dienen, die die Anzahl der Signale begrenzen, die ein Gen aktivieren. Oder es können Proteine ​​an die Promotorregion angeheftet werden, die unterschiedliche Grade der Genaktivierung verursachen.

„Ein zusätzlicher Beitrag dieser Arbeit ist, dass wir festgestellt haben, dass Wir können mit nur einem Protein etwa 1,71 Bit an Information durch die Promotorregion des Gens übertragen", sagt Lee. In der Praxis bedeutet dies, dass das Gen ohne ein komplexes Netzwerk von Proteinanhängen ist in der Lage, mehr als 3 Signale genau zu unterscheiden". In früheren Arbeiten wurde diese Baseline auf 1,55 Bit festgelegt, daher erweitert diese Studie unser Verständnis dessen, was hier möglich ist. Dies ist die Grundlage, auf der wir aufbauen können."

Die Forscher sagen, dass diese Arbeit zukünftige Forschungen ermöglicht, die unser Verständnis der Dynamik des Zellverhaltens und der Genexpression verbessern werden.

Kurzfristig, so die Forscher, könnte die Arbeit praktische Anwendung in pharmazeutischen und biotechnologische Sektoren.

„In der Bioproduktion muss man oft sowohl das Wachstum der Zellen als auch die Geschwindigkeit kontrollieren, mit der diese Zellen bestimmte Proteine ​​herstellen“, sagt Lee."Unsere Arbeit kann Herstellern helfen, diese beiden Variablen fein abzustimmen und zu kontrollieren."

Diese Arbeit wurde von der National Science Foundation unter dem Grant 1830910 "New Frontiers in Research and Innovation" und den National Institutes of Health unter dem Grant 5T32GM133366 unterstützt.

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