DNA jako antena - przełomowe odkrycie w komunikacji komórkowej i ekspresji genów

Naukowcy z Uniwersytetu Stanowego Karoliny Północnej dokonali fascynującego odkrycia, które może zrewolucjonizować nasze rozumienie funkcjonowania genów. Badania wykazały, że geny są zdolne do identyfikowania i reagowania na informacje zakodowane w sygnałach świetlnych, a także do selektywnego filtrowania określonych sygnałów. To odkrycie sugeruje, że DNA może działać podobnie do anteny, odbierającej i przetwarzającej różnorodne sygnały z otoczenia komórki.

Albert Keung, współautor artykułu oraz adiunkt inżynierii chemicznej i biomolekularnej na Uniwersytecie Stanowym Karoliny Północnej, wyjaśnia: "Podstawową ideą jest to, że można kodować informacje w dynamice sygnału odbieranego przez gen. Więc zamiast tego, czy sygnał jest po prostu obecny lub nieobecny, liczy się sposób jego dostarczenia."

W ramach eksperymentu zespół badawczy zmodyfikował komórkę drożdży, wprowadzając do niej gen produkujący białka fluorescencyjne po ekspozycji na niebieskie światło. Mechanizm działania tego systemu jest zarazem prosty i wyrafinowany. Obszar genu nazywany promotorem jest odpowiedzialny za kontrolowanie aktywności genu. 

W zmodyfikowanych komórkach drożdży specyficzne białko wiąże się z obszarem promotorowym. Gdy naukowcy skierowali na to białko niebieskie światło, stało się ono podatne na drugie białko. Gdy drugie białko połączy się z pierwszym, gen staje się aktywny i wytwarza łatwo wykrywalne białka fluorescencyjne.

Naukowcy poddali komórki drożdży działaniu 119 różnych wzorców światła, które różniły się intensywnością światła, czasem trwania każdego impulsu świetlnego i częstotliwością impulsów. Następnie zmierzyli ilość białka fluorescencyjnego wytwarzanego w odpowiedzi na każdy wzór światła.

Jessica Lee, pierwsza autorka artykułu i niedawna absolwentka studiów doktoranckich na NC State, opisuje zaskakujące wyniki: "Odkryliśmy, że różne wzorce światła mogą dawać bardzo różne rezultaty pod względem aktywności genów. Dla nas wielkim zaskoczeniem było to, że sygnał wyjściowy nie był bezpośrednio związany z sygnałem wejściowym. Spodziewaliśmy się, że im silniejszy sygnał, tym gen będzie bardziej aktywny. Ale niekoniecznie tak było. Jeden wzór światła mógł sprawić, że gen będzie znacznie bardziej aktywny niż inny, nawet jeśli oba wzorce wystawiły gen na działanie tej samej ilości światła."

Zespół odkrył, że wszystkie trzy zmienne wzorca światła – natężenie światła, częstotliwość impulsów świetlnych i czas trwania każdego impulsu – mogą wpływać na aktywność genów. Najdokładniejszą kontrolę nad aktywnością genów zapewniało jednak manipulowanie częstotliwością impulsów świetlnych.

Image

Leandra Cawood, współautorka artykułu i studentka studiów podyplomowych, wyjaśnia zaobserwowane zjawisko: "Odkryliśmy, że umieszczając szybkie impulsy światła bardzo blisko siebie, uzyskujemy wyższą aktywność genów, niż można by oczekiwać na podstawie ilości dostarczanego światła. Korzystając z modelu, byliśmy w stanie ustalić, że dzieje się tak, ponieważ białka nie mogą się rozdzielić i połączyć wystarczająco szybko, aby odpowiedzieć na każdy impuls. Zasadniczo białka nie mają czasu, aby całkowicie rozdzielić się od siebie między impulsami, więc spędzają więcej czasu w stanie przyłączonym – co oznacza, że gen spędza więcej czasu w stanie aktywowanym."

Albert Keung podkreśla szersze implikacje tego odkrycia: "Nasze odkrycie jest istotne w przypadku komórek reagujących na światło, takich jak te znajdujące się w liściach. Ale mówi nam również, że geny reagują na sygnały, które mogą być dostarczane nie tylko przez światło, ale także przez inne mechanizmy." Naukowiec porównuje ten proces do wysyłania wiadomości kodem Morse'a z komórki do genu. Dodaje również: "To mówi nam, że to samo białko może być używane do przekazywania różnych wiadomości do tego samego genu. Komórka może więc użyć jednego białka, aby gen reagował inaczej na różne substancje chemiczne."

W oddzielnej serii eksperymentów zespół odkrył, że geny potrafią również filtrować niektóre sygnały. Naukowcy ustalili, że gdy drugie białko zostało przyłączone do regionu promotorowego genu, pewne częstotliwości impulsów światła nie powodowały produkcji białek fluorescencyjnych. Jest to fascynujące zjawisko, którego dokładny mechanizm pozostaje tajemnicą - badacze wiedzą, że drugie białko sprawia, iż gen reaguje tylko na konkretny zestaw sygnałów, ale nie potrafią jeszcze wyjaśnić, jak dokładnie to się dzieje.

Dodatkowo odkryto, że manipulując liczbą i rodzajem białek przyłączonych do regionu promotorowego genu, można kontrolować zakres sygnałów, na które gen może odpowiedzieć. Do regionu promotora można dołączać białka działające jak filtry, ograniczające liczbę sygnałów aktywujących gen, lub takie, które powodują różny stopień aktywacji genu.

Jessica Lee wskazuje na potencjalne zastosowania przemysłowe tych odkryć: "W bioprodukcji często zachodzi potrzeba kontrolowania zarówno wzrostu komórek, jak i tempa, w jakim komórki te produkują określone białka. Nasza praca może pomóc producentom dostroić i kontrolować obie te zmienne."

Badanie to nie tylko poszerza naszą wiedzę o dynamice ekspresji genów, ale także otwiera nowe możliwości w biotechnologii i medycynie. Precyzyjna kontrola aktywności genów mogłaby znaleźć zastosowanie w tworzeniu nowych leków, terapii genowych czy opracowywaniu bardziej wydajnych procesów produkcji biofarmaceutyków.

Fakt, że DNA może działać jako swoista "antena", zdolna do odbierania złożonych sygnałów i odpowiedniego dostosowywania ekspresji genów, podkreśla niezwykłą złożoność i wyrafinowanie systemów biologicznych. Badania te pokazują również, jak wiele jeszcze musimy odkryć o fundamentalnych procesach zachodzących w naszych komórkach.