基因可以对信号中的编码信息做出反应——或者完全过滤掉它们

立即释放

阿尔伯特·亚强 ajkeung@ncsu.edu

杰西卡·李 jlee64@ncsu.edu

安德拉Caywood lcaywoo@ncsu.edu

马特·希普曼 马特_shipman@ncsu.edu

北卡罗来纳州立大学的新研究证明了基因能够在光信号中识别和响应编码信息，并完全过滤一些信号。该研究表明，单一机制如何触发来自同一基因的不同行为 - 并在生物技术部门中具有应用。

“这里的基本想法是，你可以在基因接收的信号的动态中编码信息，”北卡罗来纳州立大学化学和生物分子工程助理教授、一篇关于这项工作的论文的通讯作者阿尔伯特·强(Albert Keung)说。“所以，与其说信号是存在还是不存在，不如说信号呈现的方式很重要。”

在这项研究中，研究人员修改了一个酵母细胞，使其拥有一个基因，当细胞暴露在蓝光下时，该基因可以产生荧光蛋白。

这是如何运作的。基因的启动子区域负责控制基因的活性。在修饰过的酵母细胞中，一种特定的蛋白质与基因的启动子区结合。当研究人员用蓝光照射这种蛋白质时，它开始接受第二种蛋白质。当第二个蛋白质与第一个蛋白质结合时，基因就活跃起来。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。

然后研究人员将这些酵母细胞暴露于119种不同的光图案。每个光图案在光的强度方面不同，每个光脉冲是多长的，以及脉冲发生的频率。然后研究人员映射了荧光蛋白的量，使得响应于每个光图案产生的细胞。

人们谈论基因的开启或关闭，但它不太像一个电灯开关，更像是一个调光开关——一个基因可以被激活一点，很多，或在两者之间的任何地方。如果一个特定的光模式导致了大量荧光蛋白的产生，那就意味着这个光模式使基因非常活跃。如果这种光模式只导致了少量荧光蛋白的产生，那就意味着这种模式只触发了基因的轻微活动。

“我们发现不同的光照模式可以在基因活性方面产生非常不同的结果，”论文第一作者、最近的博士Jessica Lee说。毕业于北卡罗来纳州。“对我们来说，最大的惊喜是输出与输入没有直接关联。我们的预期是信号越强，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更活跃，即使两种模式都暴露了基因。”ne到相同的光量。”

研究人员发现，所有三种光模式变量——光的强度、光脉冲的频率以及每个脉冲持续的时间——都可以影响基因活动，但他们发现，控制光脉冲的频率可以最精确地控制基因活动。

“我们还利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，”论文的合著者、博士Leandra Caywood说。北卡罗来纳州的学生。

“例如，我们发现，当你把快速的光脉冲非常紧密地聚集在一起时，你得到的基因活性比你从应用的光量中所预期的要多，”凯伍德说。“使用该模型，我们能够确定发生这种情况是因为蛋白质不能足够快地分离并重新组合以响应每个脉冲。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，这意味着基因一年中花费更多的时间。”了解这些动态对于帮助我们找出如何利用这些信号更好地控制基因活动非常有用。”

“我们的发现与对光作出反应的细胞有关，比如在树叶中发现的细胞，”Keung说。“但它也告诉我们，基因对信号模式有反应，而信号模式可能是通过光以外的机制传递的。”

这是实际情况。细胞可以接收化学信号。这种化学物质的存在是无法模式化的——要么存在，要么不存在。然而，细胞可以通过创建目标基因的模式信号来对化学物质的存在作出反应。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做到这一点。把控制这种蛋白质的存在和缺失想象成从细胞向基因发送莫尔斯电码信息。根据一系列其他变量——比如其他化学物质的存在——细胞可以微调它发送给基因的信息，以调节其活动。

“这告诉我们，你可以用同一种蛋白质给同一个基因传递不同的信息，”强说。“因此，细胞可以使用一种蛋白质使基因对不同的化学物质产生不同的反应。”

在另一组实验中，研究人员发现基因也能够过滤掉一些信号。这其中的机制既简单又神秘。研究人员可以确定，当第二个蛋白质连接到基因的启动子区域时，一些光脉冲频率并没有触发荧光蛋白的产生。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作出反应，但研究人员不知道第二种蛋白质是如何做到这一点的。

研究人员还发现，他们可以通过操纵附着在基因启动子区域的蛋白质的数量和类型来控制基因能够响应的不同信号的数量。

例如，您可以将蛋白质附着到启动子区域，其用作过滤器以限制激活基因的信号数。或者您可以将蛋白质连接到引发基因的不同程度的激发蛋白质。

Lee说：“这项工作的另一个贡献是，我们已经确定，只要一个蛋白质连接，我们就可以通过基因的启动子区域传递大约1.71比特的信息。”。“实际上，这意味着没有复杂的蛋白质附着网络的基因能够区分3个以上的信号，没有错误。以前的工作将基线设定为1.55位，所以这项研究提高了我们对这里可能的理解。这是我们可以建立的基础。”

研究人员说，这项工作有助于我们进一步了解细胞行为和基因表达的动力学。

在更接近的期限内，研究人员表示，制药和生物技术部门的工作存在实际应用。

“在生物学制造中，您经常想管理细胞的生长和这些细胞产生特定蛋白质的速率，”李说。“我们这里的工作可以帮助制造商微调并控制这些变量。”

纸”,真核生物基因调控的动态转移功能定位，“发表在期刊上细胞系统. 该论文由詹妮弗·洛（Jennifer Lo）和尼古拉斯·勒沃林（Nicholas Levering）合著，完成这项工作时，他们都是北卡罗来纳州立大学的本科生。

该工作是在国家科学基金会的支持下，在1930910年的新兴领域，在新兴领域;来自国家卫生研究院，授予拨款5T32GM133366。

-船夫-

编辑注意：研究摘要如下。

“绘制真核基因调控的动态转移功能图”

作者：杰西卡·B·李、琳德拉·M·凯伍德、詹妮弗·Y·洛、尼古拉斯·勒沃林和阿尔伯特·J·强，北卡罗来纳州立大学

发表：8月31日，细胞系统

内政部：10.1016 / J.CELS.2021.08.003

文摘:生物信息可以在信号成分的动力学中编码，信号成分与包括应激反应、肿瘤发生和干细胞分化在内的广泛生理过程有关。为了研究真核启动子间信息传递的复杂性，我们筛选了119种调节表观基因组编辑子与荧光报告子结合的光脉冲频率、振幅和脉宽的动态条件。该系统揭示了可调节的基因表达和过滤行为，并提供了一个定量的信息量限制，该信息量可通过单个启动子可靠地传输约1.7位。使用一个包含100多个正交染色质调节因子的文库，我们进一步确定染色质状态可用于调节互信息和表达水平，以及完全改变启动子的输入-输出传递函数。该系统开启了真核基因调控信息丰富的内容。