东方时讯网北卡罗来纳州立大学(NCState)科学家的新研究表明，基因能够识别和响应光信号中的编码信息，并完全过滤掉一些信号。他们的研究结果表明，单一机制如何能够触发同一基因的不同行为。“这里的基本思想是，你可以在基因接收的信号动态中编码信息，”北卡罗来纳州立大学化学和生物分子工程助理教授AlbertKeung博士说。“因此，信号的呈现方式很重要，而不是简单地存在或不存在信号。”
研究人员表示，他们的工作在制药和生物技术领域有实际应用。“在生物制造中，你通常想要管理细胞的生长和这些细胞产生特定蛋白质的速率，”北卡罗来纳州立大学研究助理杰西卡·李博士说。“我们在这里的工作可以帮助制造商微调和控制这两个变量。”Lee是第一作者，Keung是该团队在CellSystems上发表的论文的通讯作者，该论文的标题是“绘制真核基因调控的动态传递函数”，他们的结论是：“这项工作直接证明了信号处理潜力单个基因的研究，并开发可用于利用它的分子和计算工具。”
作者指出，有大量证据表明生物信息可以编码在信号成分的动态中，而不仅仅是它们的生化特性。这与一系列生理过程有关，例如应激反应、干细胞分化和肿瘤发生。研究人员表示：“细胞的组件数量有限，利用动态信号处理来执行复杂的功能以响应复杂的环境。”“转录因子(TF)可能是此类信息传输的特别重要的原型，因为它们的多样性相对较低，但必须控制许多独特且复杂的基因表达程序。”
在他们报告的研究中，研究人员开发了一个结合光遗传学和流式细胞术的平台，以绘制蛋白质表达对不同动态输入的响应。他们改造了酵母细胞，使其表达一种基因，当细胞暴露在蓝光下时，该基因会产生荧光蛋白。基因的启动子区域负责控制基因的活性，在修饰的酵母细胞中，特定的蛋白质与基因的启动子区域结合。当蓝光照射到该蛋白质上时，它就会接受第二种蛋白质。当第二种蛋白质与第一种蛋白质结合时，该基因变得活跃。这很容易检测到，因为激活的基因会产生在黑暗中发光的蛋白质。
研究人员将这些酵母细胞暴露在119种不同的光模式下。每种光图案在光强度、每个光脉冲的长度以及脉冲发生的频率方面都不同。然后研究人员绘制出细胞响应每种光模式而产生的荧光蛋白的量。
我们可能倾向于认为基因要么被打开，要么被关闭，但是，基因不像电灯开关，而更像调光器开关，可以被激活一点、很多，或者介于两者之间。因此，如果给定的光模式导致产生大量荧光蛋白，则意味着该光模式使该基因非常活跃。如果光模式只产生一点荧光蛋白，则意味着该模式仅触发基因的轻微活性。
“我们发现不同的光模式可以在基因活性方面产生非常不同的结果，”李说。“对我们来说，最大的惊喜是输出与输入并不直接相关。我们的期望是信号越强，基因就越活跃。但事实并非如此。一种光模式可能使基因比另一种光模式显着更活跃，即使两种模式都将基因暴露在相同量的光下。”
研究人员发现，所有三个光模式变量——光的强度、光脉冲的频率以及每个脉冲持续的时间——都可能影响基因活动，但他们还发现，控制光脉冲的频率可以让他们获得最精确的控制。超过基因活性。
“我们还使用这里的实验数据开发了一个计算模型，帮助我们更好地理解为什么不同的模式会产生不同水平的基因活性，”该论文的合著者、北卡罗来纳州立大学的博士生LeandraCaywood说。“例如，我们发现，当你将快速光脉冲非常紧密地聚集在一起时，你会得到比你预期的更多的基因活性。使用该模型，我们能够确定这种情况正在发生，因为蛋白质无法足够快地分离和重新聚集在一起以响应每个脉冲。基本上，蛋白质没有时间在脉冲之间完全分离，因此需要花费更多的时间连接——这意味着基因花费更多的时间被激活。
“我们的发现与对光做出反应的细胞有关，例如在叶子中发现的细胞，”Keung补充道。“但它也告诉我们，基因对信号模式有反应，信号模式可以通过光以外的机制传递。”
那么这在细胞中如何发挥作用呢?细胞可以接收化学信号。化学物质的存在无法被模式化——它要么存在，要么不存在。然而，细胞可以通过为靶基因产生模式信号来响应化学物质的存在。细胞通过控制与启动子区域结合的蛋白质进入和离开细胞核的速率来实现这一点。我们可以认为控制这种蛋白质的存在和不存在就像从细胞向基因发送莫尔斯电码信息一样。根据一系列其他变量(例如其他化学物质的存在)，细胞可以微调其发送给基因的信息，以调节其活性。
“这告诉我们，你可以使用相同的蛋白质向同一基因发出不同的信息，”Keung说。“因此细胞可以使用一种蛋白质让基因对不同的化学物质产生不同的反应。”
在一组单独的实验中，研究人员发现基因也能够过滤掉一些信号。其机制既简单又神秘。研究人员可以看出，当第二种蛋白质附着在基因的启动子区域时，某些频率的光脉冲不会触发荧光蛋白质的产生。简而言之，研究人员知道第二种蛋白质确保基因只对一组特定的信号做出反应，但他们并不确切知道第二种蛋白质是如何实现这一点的。
研究人员还发现，他们可以通过操纵连接到基因启动子区域的蛋白质的数量和类型来控制基因可以响应的不同信号的数量。
例如，您可以将蛋白质附加到启动子区域，作为过滤器来限制激活基因的信号数量。或者您可以将蛋白质附加到启动子区域，触发基因不同程度的激活。
“这项工作的另一个贡献是，我们确定我们可以通过仅带有一个蛋白质附件的基因启动子区域传达大约1.71位的信息，”Lee说。正如作者解释的那样，“该系统揭示了可调节的基因表达和过滤行为，并提供了对单个启动子可靠传输的信息量限制的量化，约为1.7位。”Lee继续说道，“实际上，这意味着该基因在没有复杂的蛋白质附着网络的情况下，能够准确地区分三个以上的信号。之前的工作已将该基线设置为1.55位，因此这项研究加深了我们对此处可能性的理解。这是我们可以继续发展的基础。”
研究人员表示，他们的工作将使未来的研究能够帮助科学家了解细胞行为和基因表达的动态。他们写道：“这项工作直接证明了单个基因的信号处理潜力，并开发了可用于利用它的分子和计算工具。”“有很多途径可以扩展和探索。在我们的工作中，我们依赖于可以通过流式细胞术快速测量的终点测量。然而，信息也可以存储在输出信号的动态中，例如生产率、抑制/激活的时间延迟或振荡行为。可以跟踪数千种文化的输出动态的高通量方法将释放这一潜在的研究空间。”
研究人员进一步指出，虽然报道的研究集中于单个启动子，但不同的启动子结构可能会赋予不同的转移功能。“能够处理动态信号大参数空间的实验和计算系统的不断进步将解锁我们测量、量化和理解生物系统中信息传输的能力，并揭示有限数量的组件如何产生丰富的基础。生物功能的复杂性。”