Гены в живых клетках могут активироваться или подавляться в ответ на стимулы окружающей среды, такие как тепло или наличие 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 паттернах производства белков между генами.
Как работает регуляция генов
В типичном сценарии ФТ связывается с областью так называемого промотора — последовательности ДНК рядом с геном. Если ФТ блокирует экспрессию гена, он препятствует связыванию фермента РНК-полимеразы и, таким образом, началу процесса производства белка, кодируемого геном. Из-за тепловых флуктуаций (шума) ФТ может спонтанно отвязываться, позволяя экспрессии гена продолжаться до тех пор, пока он не свяжется снова. 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.
Когда повреждение ДНК индуцируется, например, ультрафиолетовым излучением или химическими агентами, последовательность событий приводит к распаду LexA, снижая его концентрацию, чтобы гены экспрессировались. Когда ДНК восстанавливается, концентрация LexA снова повышается, и он связывается со своими промоторами и подавляет гены.
Результаты исследования
Исследователи генетически сконструировали несколько генов-мишеней LexA, заставив их производить белки с присоединённым зелёным флуоресцентным белком. Этот стандартный приём позволил 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. Типичные длительности и амплитуды 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 отвязываются быстро по сравнению со временны́ми масштабами любых флуктуаций концентрации, так что экспрессия генов реагирует почти мгновенно на любые изменения концентрации ФТ.
Однако исследователи смогли объяснить свои результаты, только предположив, что временны́е масштабы для двух процессов сопоставимы. Наличие схожих временны́х масштабов приводит к сложному взаимодействию между связыванием ФТ и концентрацией ФТ.
Выводы подтверждают более раннюю работу команды, предполагающую, что шум на молекулярном уровне, вместо того чтобы быть помехой для регуляции генов, может фактически использоваться бактериями.
🔬🧬🧬