Гены в живых клетках могут активироваться или подавляться в ответ на стимулы окружающей среды, такие как тепло или доступность питательных веществ. У бактерий регуляция генов часто выглядит как простой «включатель-выключатель», контролируемый регуляторными белками, называемыми факторами транскрипции (ФТ).
Однако исследователи обнаружили, что разные гены могут по-разному реагировать на один и тот же стимул, даже если они регулируются одним и тем же ФТ. Команда активировала гены, участвующие в восстановлении ДНК, и наблюдала различия в характере производства белков между генами.
Как работают факторы транскрипции
В типичном сценарии ФТ связывается с областью так называемого промотора — последовательности ДНК рядом с геном. Если ФТ блокирует экспрессию гена, он предотвращает связывание фермента РНК-полимеразы и, таким образом, начало процесса производства белка, кодируемого геном. Из-за тепловых флуктуаций (шума) ФТ может спонтанно отсоединяться, позволяя экспрессии гена продолжаться до повторного связывания. Скорость связывания ФТ зависит от его концентрации, поэтому колебания концентрации вызывают изменения в экспрессии генов.
Однако до сих пор не было ясно, как такой шум в концентрации ФТ влияет на шум в экспрессии генов. Чтобы изучить этот вопрос, биофизик Эрик ван Нимвеген и его коллеги из Базельского университета в Швейцарии изучили, как отдельные клетки бактерии Escherichia coli реагировали на изменения концентрации ФТ под названием LexA. Этот ФТ регулирует несколько генов, участвующих в восстановлении ДНК, подавляя их экспрессию.
Эксперименты с Escherichia coli
Исследователи генетически сконструировали несколько генов-мишеней LexA, заставив их производить белки с присоединённым зелёным флуоресцентным белком. Это позволило команде отслеживать уровни экспрессии генов, измеряя флуоресценцию. В экспериментах исследователи индуцировали повреждение ДНК с помощью антибиотика ципрофлоксацина, а затем отслеживали изменения флуоресценции во времени в отдельных клетках.
Поведение клеток оказалось значительно сложнее, чем ожидали исследователи. Экспрессия генов происходила всплесками, производя резкие пики интенсивности флуоресценции. Типичная продолжительность и амплитуда этих всплесков различались от клетки к клетке и от гена к гену в одной и той же клетке, даже несмотря на то, что каждая клетка обрабатывалась одинаковым количеством антибиотика.
Результаты привели ван Нимвегена и его коллег к отказу от распространённого предположения. Считалось, что ФТ, такие как LexA, связываются и отсоединяются быстро по сравнению со временными масштабами любых колебаний концентрации, так что экспрессия генов реагирует почти мгновенно на любые изменения концентрации ФТ.
Однако исследователи смогли объяснить свои результаты, только предположив, что временные масштабы для двух процессов сопоставимы. Наличие схожих временных масштабов приводит к сложному взаимодействию между связыванием ФТ и концентрацией ФТ.
Выводы
Результаты подтверждают более раннюю работу команды, предполагающую, что шум на молекулярном уровне может использоваться бактериями не как помеха для регуляции генов, а как средство достижения сложных ответов с относительно небольшим количеством молекулярных компонентов.
«Из-за неравновесной природы регуляции сайты связывания ФТ разной силы приводят к различным динамическим ответам промоторов на один и тот же сигнал, — говорит ван Нимвеген. — И неизбежно, что естественный отбор будет действовать на это».
Например, некоторые гены-мишени LexA включаются только при повреждении ДНК, которое требует длительного времени для восстановления. Новая работа показывает, как могут возникать такие различные ответы.
Офер Бихам, физик-статистик, изучающий генные сети в Еврейском университете в Иерусалиме, называет работу «впечатляющей, тщательной и важной». Он добавляет, что результаты вполне могут применяться ко многим другим факторам транскрипции и их мишеням.