基因可以對(duì)信號(hào)中的編碼信息做出反應(yīng)

北卡羅來(lái)納州立大學(xué)的新研究表明，基因能夠識(shí)別和響應(yīng)光信號(hào)中的編碼信息，并完全過(guò)濾掉一些信號(hào)。該研究展示了單一機(jī)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(hào)動(dòng)力學(xué)中編碼信息，”該工作論文的通訊作者、北卡羅來(lái)納州立大學(xué)化學(xué)和生物分子工程助理教授 Albert Keung 說(shuō)。“因此，信號(hào)的呈現(xiàn)方式不是簡(jiǎn)單的存在或不存在，而是重要的。”

在這項(xiàng)研究中，研究人員修改了酵母細(xì)胞，使其具有在細(xì)胞暴露于藍(lán)光時(shí)產(chǎn)生熒光蛋白的基因。

這是它的工作原理。稱為啟動(dòng)子的基因區(qū)域負(fù)責(zé)控制基因的活動(dòng)。在經(jīng)過(guò)修飾的酵母細(xì)胞中，一種特定的蛋白質(zhì)與基因的啟動(dòng)子區(qū)域結(jié)合。當(dāng)研究人員在該蛋白質(zhì)上照射藍(lán)光時(shí)，它會(huì)接受第二種蛋白質(zhì)。當(dāng)?shù)诙N蛋白質(zhì)與第一種蛋白質(zhì)結(jié)合時(shí)，該基因就會(huì)變得活躍。這很容易檢測(cè)，因?yàn)榧せ畹幕驎?huì)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(xì)胞暴露在 119 種不同的光模式下。每個(gè)光模式在光強(qiáng)度、每個(gè)光脈沖的長(zhǎng)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(xì)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_(kāi)或關(guān)閉，但它不像電燈開(kāi)關(guān)，更像是調(diào)光開(kāi)關(guān)——基因可以被激活一點(diǎn)點(diǎn)、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(dòng)。

“我們發(fā)現(xiàn)不同的光模式可以在基因活動(dòng)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(shuō)。畢業(yè)于北卡羅來(lái)納州。“對(duì)我們來(lái)說(shuō)，最大的驚喜是輸出與輸入沒(méi)有直接關(guān)系。我們的預(yù)期是信號(hào)越強(qiáng)，基因就越活躍。但事實(shí)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(gè)光模式變量——光的強(qiáng)度、光脈沖的頻率以及每個(gè)脈沖持續(xù)的時(shí)間——都可以影響基因活動(dòng)，但發(fā)現(xiàn)控制光脈沖的頻率可以讓他們對(duì)基因進(jìn)行最精確的控制?；顒?dòng)。

“我們還使用這里的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)了一個(gè)計(jì)算模型，幫助我們更好地理解為什么不同的模式會(huì)產(chǎn)生不同水平的基因活動(dòng)，”該論文的合著者和博士生 Leandra Caywood 說(shuō)。北卡羅來(lái)納州立大學(xué)的學(xué)生。

“例如，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)你將快速的光脈沖非常緊密地聚集在一起時(shí)，你獲得的基因活動(dòng)比你從施加的光量中預(yù)期的要多，”Caywood 說(shuō)。“使用該模型，我們能夠確定這種情況正在發(fā)生，因?yàn)榈鞍踪|(zhì)不能足夠快地分離并重新聚集在一起以響應(yīng)每個(gè)脈沖。基本上，蛋白質(zhì)沒(méi)有時(shí)間在脈沖之間完全分離，因此需要花費(fèi)更多時(shí)間連接——這意味著基因花費(fèi)更多時(shí)間被激活。了解這些動(dòng)態(tài)對(duì)于幫助我們弄清楚如何使用這些信號(hào)更好地控制基因活動(dòng)非常有用。”

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