اخبار علمی, مطالب
توانایی ژنها در خوانش کدهای بارگذاری شده در سیگنالهای مولکولی
مطالعات جدید نشان میدهد که ژنها میتوانند اطلاعات کد شده در سیگنالهای نور را شناسایی کنند، پاسخ دهند و یا برخی سیگنالها را به طور کلی فیلتر کنند.این تحقیق مشخص میکند که چگونه ژنها میتوانند به اطلاعات رمزگذاری شده در سیگنالها پاسخ دهند، یا آنها را به طور کامل فیلتر کنند.
Albert Keung میگوید: ایده اساسی در اینجا این است که شما میتوانید اطلاعات را در سیگنالی که یک ژن دریافت میکند رمزگذاری کنید. بنابراین، به جای اینکه یک سیگنال به سادگی وجود داشته باشد یا وجود نداشته باشد، نحوه ارائه سیگنال اهمیت دارد.
برای این مطالعه، محققان یک سلول مخمر را طوری تغییر دادند که ژنی داشته باشد که وقتی سلول در معرض نور آبی قرار میگیرد، پروتئینهای فلورسنت تولید کند. در اینجا نحوه کار این است. ناحیه‌ای از ژن به نام پروموتر(به بخشی از دی‌ان‌ای گفته میشود که رونویسی یک ژن از آنجا آغاز میشود. فعال کننده ها در نزدیکی توالی پروموتر قرار داشته و میزان بیان را افزایش می دهند.) که مسئول کنترل فعالیت ژن است، در سلولهای مخمر اصلاح شده، یک پروتئین خاص به منطقه پروموتر ژن متصل میشود. هنگامی که محققان نور آبی را به آن پروتئین میتابانند، آن را به پروتئین دوم میرساند سپس وقتی پروتئین دوم به پروتئین اول متصل میشود، ژن فعال میشود و این به راحتی قابل تشخیص است، زیرا ژن فعال شده پروتئینهایی تولید میکند که در تاریکی میدرخشند.
سپس محققان این سلولهای مخمر را در معرض 119 الگوی نور مختلف قرار دادند.هر الگوی نوری از نظر شدت نور، طول هر پالس نور و تعداد دفعات پالس‌ها متفاوت است. سپس محققان میزان پروتئین فلورسنت را که سلولها در پاسخ به هر الگوی نوری تولید میکردند، ترسیم کردند.
مردم در مورد روشن یا خاموش شدن ژنها صحبت میکنند، اما این کمتر شبیه به یک تغییرنور و بیشتر شبیه به یک تغییر کم نور است یک ژن میتواند کم، زیاد یا در هر نقطه ای بین آنها فعال شود.اگر یک الگوی نوری مشخص منجر به تولید مقدار زیادی پروتئین فلورسنت شود، این بدان معناست که الگوی نوری ژن را بسیار فعال میکند.اگر الگوی روشن منجر به تولید کمی پروتئین فلورسنت شود، این بدان معناست که این الگو فقط باعث ایجاد فعالیت ملایم ژن میشود.
Jessica Lee نویسنده اول مقاله میگوید: ما دریافتیم که الگوهای مختلف نور میتوانند نتایج بسیار متفاوتی را از نظر فعالیت ژنی ایجاد کنند. شگفتی بزرگ برای ما این بود که خروجی مستقیماً با ورودی ارتباط نداشت. انتظار ما این بود که هرچه سیگنال قوی‌تر باشد، ژن فعال‌تر خواهد بود. اما لزوماً اینطور نبود. یک الگوی نوری ممکن است ژن را به میزان قابل توجهی بیشتر از الگوی نوری دیگر فعال کند، حتی اگر هر دو الگو ژن را در معرض نور یکسانی قرار دهند.
محققان دریافتند که هر سه متغیر الگوی نور – شدت نور، فرکانس پالسهای نور و مدت زمان ادامه هر پالس میتواند بر فعالیت ژن تأثیر بگذارد، اما دریافتند که کنترل فرکانس پالسهای نور به آنها دقیق‌ترین کنترل را بر روی فعالیت ژن میدهد.
Leandra Caywood میگوید: ما همچنین از داده‌های تجربی در اینجا برای توسعه یک مدل محاسباتی استفاده کردیم که به ما کمک کرد بهتر درک کنیم که چرا الگوهای مختلف سطوح مختلف فعالیت ژن را تولید میکنند. به عنوان مثال، ما دریافتیم که وقتی پالس های سریع نور را به هم نزدیک میکنید، فعالیت ژنی بیشتری نسبت به آنچه که از نور مورد استفاده انتظار میرود دریافت میکنید. با استفاده از مدل، ما توانستیم علت این اتفاق را تشخیص دهیم، علت این اتفاق این است که پروتئینها نمیتوانند جدا شوند و به سرعت به هم نزدیک شوند تا به هر نبض پاسخ دهند. اساساً، پروتئینها زمان لازم برای جداسازی کامل از یکدیگر بین پالس‌ها را ندارند، بنابراین زمان بیشتری را در ارتباط میگذرانند به این معنی که ژن زمان بیشتری را صرف فعال شدن میکند. درک این نوع پویایی‌ها برای کمک به ما در تعیین نحوه کنترل بهتر فعالیت ژن با استفاده از این سیگنالها بسیار مفید است.
یافته ما برای سلولهایی که به نور واکنش نشان میدهند، مانند سلولهایی که در برگها یافت میشود، مناسب است اما همچنین به ما میگوید که ژنها به الگوهای سیگنالی پاسخ میدهند، که می توانند با مکانیسم‌هایی غیر از نور منتقل شوند.
وجود ماده شیمیایی را نمیتوان الگوبرداری کرد – یا وجود دارد یا نیست. با این حال، سلول میتواند با ایجاد یک سیگنال الگویی برای ژن هدف، به حضور ماده شیمیایی پاسخ دهد. سلول این کار را با کنترل سرعت ورود پروتئین متصل به ناحیه پروموتر به هسته سلول انجام میدهد.کنترل وجود و عدم وجود این پروتئین را به عنوان ارسال یک پیام کد مورس (روشی برای انتقال پیام و اطلاعات است که در آن از یک رشته نشانه‌های بلند و کوتاهِ استاندارد به نام خط و نقطه استفاده میشود.) از سلول به ژن در نظر بگیرید. بسته به مجموعه‌ای از متغیرهای دیگر-مانند وجود مواد شیمیایی دیگر-سلول میتواند پیامی را که برای ژن ارسال میکند به طور دقیق تنظیم کند تا فعالیت خود را تعدیل کند.
یکی از محققین میگوید : این به ما میگوید که شما میتوانید از پروتئین یکسانی برای ارسال پیامهای مختلف به یک ژن استفاده کنید. بنابراین سلول میتواند از یک پروتئین برای واکنش متفاوت ژن به مواد شیمیایی مختلف استفاده کند.
در مجموعه‌ای جداگانه از آزمایشها، محققان دریافتند که ژنها همچنین میتوانند برخی از سیگنالها را فیلتر کنند. مکانیک این امر هم ساده و هم اسرارآمیز است. محققان میتوانند بگویند که وقتی پروتئین دوم به ناحیه پروموتور ژن متصل شد، برخی از فرکانسهای پالسهای نور باعث تولید پروتئینهای فلورسنت نمیشود. به طور خلاصه، محققان میدانند پروتئین دوم اطمینان میدهد که یک ژن تنها به مجموعه‌ای از سیگنالها پاسخ می دهد، اما محققان دقیقاً نمیدانند پروتئین دوم چگونه این کار را انجام میدهد.
محققان همچنین دریافتند که میتوانند تعداد سیگنالهای متمایزی را که یک ژن میتواند با دستکاری تعداد و نوع پروتئینهای متصل به ناحیه پروموتر ژن به آنها پاسخ دهد، کنترل کنند. به عنوان مثال، میتوانید پروتئینهایی را به ناحیه پروموتر وصل کنید که به عنوان فیلتر عمل میکنند تا تعداد سیگنالهای فعال کننده ژن را محدود کنند، یا میتوانید پروتئینهایی را به ناحیه پروموتر وصل کنید که درجات مختلفی از فعال شدن ژن را تحریک میکنند.
یکی از محققان Lee میگوید: یکی دیگر از کمکهای این کار این است که ما تشخیص داده‌ایم که میتوانیم حدود 1.71 بیت اطلاعات را از طریق ناحیه ترویج کننده یک ژن تنها با یک اتصال پروتئینی به یکدیگر منتقل کنیم. از نظر عملی این بدان معناست که ژن، بدون شبکه پیچیده‌ای از پیوستهای پروتئینی، قادر است بیش از 3 سیگنال را بدون خطا تشخیص دهد. کارهای قبلی این پایه را 1.55 بیت تعیین کرده بودند، بنابراین این مطالعه درک ما را از آنچه در اینجا ممکن است پیش میبرد. این پایه‌ای است که میتوانیم بر آن تکیه کنیم.
محققان میگویند این کار مطالعات آینده را قادر میسازد تا درک ما را از پویایی رفتار سلولها و بیان ژن پیش ببرد.در آینده نزدیک کاربردهای عملی برای کار در بخش داروسازی و بیوتکنولوژی وجود دارد. در تولید زیستی، شما اغلب میخواهید هم رشد سلولها و هم میزان تولید این پروتئینها توسط سلولها را مدیریت کنید. کار ما در اینجا میتواند به تولیدکنندگان کمک کند که هر دو متغیر را تنظیم و کنترل کنند.
مترجم: غزل زارعی
