北卡羅來納州立大學(xué)的新研究表明，基因能夠識別和響應(yīng)光信號中的編碼信息，并完全過濾掉一些信號。該研究展示了單一機制如何觸發(fā)同一基因的不同行為，并在生物技術(shù)領(lǐng)域得到應(yīng)用。
“這里的基本思想是，你可以在基因接收的信號動力學(xué)中編碼信息，”該工作論文的通訊作者、北卡羅來納州立大學(xué)化學(xué)和生物分子工程助理教授 Albert Keung 說。“因此，信號的呈現(xiàn)方式不是簡單的存在或不存在，而是重要的。”
在這項研究中，研究人員修改了酵母細胞，使其具有在細胞暴露于藍光時產(chǎn)生熒光蛋白的基因。
這是它的工作原理。稱為啟動子的基因區(qū)域負責控制基因的活動。在經(jīng)過修飾的酵母細胞中，一種特定的蛋白質(zhì)與基因的啟動子區(qū)域結(jié)合。當研究人員在該蛋白質(zhì)上照射藍光時，它會接受第二種蛋白質(zhì)。當?shù)诙N蛋白質(zhì)與第一種蛋白質(zhì)結(jié)合時，該基因就會變得活躍。這很容易檢測，因為激活的基因會產(chǎn)生在黑暗中發(fā)光的蛋白質(zhì)。
然后研究人員將這些酵母細胞暴露在 119 種不同的光模式下。每個光模式在光強度、每個光脈沖的長度以及脈沖發(fā)生的頻率方面都不同。然后，研究人員繪制出細胞響應(yīng)每種光模式而產(chǎn)生的熒光蛋白的數(shù)量。
人們談?wù)摶虮淮蜷_或關(guān)閉，但它不像電燈開關(guān)，更像是調(diào)光開關(guān)——基因可以被激活一點點、很多，或介于兩者之間。如果給定的光模式導(dǎo)致產(chǎn)生大量熒光蛋白，則意味著光模式使基因非?；钴S。如果光模式僅導(dǎo)致產(chǎn)生少量熒光蛋白，則意味著該模式僅觸發(fā)了基因的輕度活動。
“我們發(fā)現(xiàn)不同的光模式可以在基因活動方面產(chǎn)生非常不同的結(jié)果，”該論文的第一作者、最近獲得博士學(xué)位的 Jessica Lee 說。畢業(yè)于北卡羅來納州。“對我們來說，最大的驚喜是輸出與輸入沒有直接關(guān)系。我們的預(yù)期是信號越強，基因就越活躍。但事實并非一定如此。一種光模式可能使基因明顯比另一種光模式更活躍，即使兩種模式都將基因暴露在相同數(shù)量的光下。”
研究人員發(fā)現(xiàn)，所有三個光模式變量——光的強度、光脈沖的頻率以及每個脈沖持續(xù)的時間——都可以影響基因活動，但發(fā)現(xiàn)控制光脈沖的頻率可以讓他們對基因進行最精確的控制?；顒印?/p>
“我們還使用這里的實驗數(shù)據(jù)開發(fā)了一個計算模型，幫助我們更好地理解為什么不同的模式會產(chǎn)生不同水平的基因活動，”該論文的合著者和博士生 Leandra Caywood 說。北卡羅來納州立大學(xué)的學(xué)生。
“例如，我們發(fā)現(xiàn)，當你將快速的光脈沖非常緊密地聚集在一起時，你獲得的基因活動比你從施加的光量中預(yù)期的要多，”Caywood 說。“使用該模型，我們能夠確定這種情況正在發(fā)生，因為蛋白質(zhì)不能足夠快地分離并重新聚集在一起以響應(yīng)每個脈沖。基本上，蛋白質(zhì)沒有時間在脈沖之間完全分離，因此需要花費更多時間連接——這意味著基因花費更多時間被激活。了解這些動態(tài)對于幫助我們弄清楚如何使用這些信號更好地控制基因活動非常有用。”
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