北卡罗来纳州立大学的新研究表明，基因能够识别和响应光信号中的编码信息，并完全过滤掉一些信号。该研究展示了单一机制如何触发同一基因的不同行为——并在生物技术领域得到应用。
“这里的基本思想是，你可以在基因接收的信号的动力学中编码信息，”该工作论文的通讯作者、北卡罗来纳州立大学化学和生物分子工程助理教授 Albert Keung 说。“因此，信号的呈现方式不是简单的存在或不存在，而是信号的呈现方式很重要。”
在这项研究中，研究人员修改了酵母细胞，使其具有在细胞暴露于蓝光时产生荧光蛋白的基因。
这是它的工作原理。称为启动子的基因区域负责控制基因的活动。在经过修饰的酵母细胞中，一种特定的蛋白质与基因的启动子区域结合。当研究人员在该蛋白质上照射蓝光时，它会接受第二种蛋白质。当第二种蛋白质与第一种蛋白质结合时，该基因就会变得活跃。这很容易检测，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在 119 种不同的光模式下。每个光模式在光强度、每个光脉冲的长度以及脉冲发生的频率方面都不同。然后，研究人员绘制出细胞响应每种光模式而产生的荧光蛋白的数量。
人们谈论打开或关闭基因，但它不像电灯开关，更像是调光开关——基因可以被激活一点点、很多，或介于两者之间。如果给定的光模式导致产生大量荧光蛋白，则意味着光模式使基因非常活跃。如果光模式仅导致产生少量荧光蛋白，则意味着该模式仅触发了基因的轻度活动。
“我们发现不同的光模式可以在基因活动方面产生非常不同的结果，”该论文的第一作者、最近获得博士学位的 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系。我们的预期是信号越强，基因就越活跃。但事实并非一定如此。一种光模式可能使基因明显比另一种光模式更活跃，即使两种模式都将基因暴露在相同数量的光下。”
研究人员发现，所有三个光模式变量——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，但发现控制光脉冲的频率给了他们最精确的控制超过基因活性。
“我们还使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动，”该论文的合著者、博士生 Leandra Caywood 说。北卡罗来纳州立大学的学生。
“例如，我们发现，当你将快速的光脉冲非常紧密地聚集在一起时，你获得的基因活性比你从施加的光量中预期的要多，”Caywood 说。“使用该模型，我们能够确定这种情况正在发生，因为蛋白质不能足够快地分离并重新聚集在一起以响应每个脉冲。基本上，蛋白质没有时间在脉冲之间完全分离，所以花费更多的时间连接——这意味着基因花费更多的时间被激活。了解这些动态对于帮助我们弄清楚如何使用这些信号更好地控制基因活动非常有用。”
“我们的发现与对光有反应的细胞有关，例如在叶子中发现的细胞，”Keung 说。“但它也告诉我们，基因对信号模式有反应，这些信号模式可以通过光以外的机制传递。”
这就是实践中的样子。细胞可以接收化学信号。化学物质的存在无法被模式化——它要么存在，要么不存在。然而，细胞可以通过为目标基因产生模式信号来响应化学物质的存在。细胞通过控制与启动子区域结合的蛋白质进出细胞核的速率来做到这一点。将控制这种蛋白质的存在和不存在视为从细胞向基因发送莫尔斯电码信息。根据一系列其他变量——例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，你可以使用相同的蛋白质向同一个基因传递不同的信息，”Keung 说。“所以细胞可以使用一种蛋白质让基因对不同的化学物质做出不同的反应。”
在一组单独的实验中，研究人员发现基因也能够过滤掉一些信号。这个机制既简单又神秘。研究人员可以看出，当第二个蛋白质附着在基因的启动子区域时，某些频率的光脉冲不会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一个基因只对一组特定的信号作出反应——但研究人员并不确切知道第二种蛋白质是如何做到这一点的。
研究人员还发现，他们可以通过操纵连接到基因启动子区域的蛋白质的数量和类型来控制基因可以响应的不同信号的数量。
例如，您可以将蛋白质连接到用作过滤器的启动子区域，以限制激活基因的信号数量。或者您可以将蛋白质连接到启动子区域，从而触发不同程度的基因激活。
“这项工作的另一个贡献是，我们已经确定我们可以通过一个基因的启动子区域传递大约 1.71 位的信息，其中只有一个蛋白质附着，”Lee 说。“实际上，这意味着该基因在没有复杂的蛋白质附着网络的情况下，能够无误地区分 3 个以上的信号。以前的工作将该基线设置为 1.55 位，因此这项研究促进了我们对这里可能发生的事情的理解. 这是我们可以建立的基础。”
研究人员表示，这项工作使未来的研究能够推进我们对细胞行为和基因表达动态的理解。
研究人员表示，在近期内，这项工作在制药和生物技术领域有实际应用。
“在生物制造中，您通常希望管理细胞的生长和这些细胞产生特定蛋白质的速度，”Lee 说。“我们在这里的工作可以帮助制造商微调和控制这两个变量。”
这项工作是在国家科学基金会的支持下完成的，研究和创新的新兴前沿资助 1830910;来自美国国立卫生研究院，资助号为 5T32GM133366。
