Уравнение для описания конкуренции между генами
Биофизики из Калтеха разработали математическую модель, которая учитывает, как гены конкурируют друг с другом за регуляторные белки (транскрипционные факторы), необходимые для их экспрессии. В отличие от типичного подхода, сначала были проведены теоретические расчёты, а затем — экспериментальная проверка.
Новый подход к моделированию
Большинство моделей экспрессии генов предполагают, что у каждого гена в избытке есть всё необходимое, включая транскрипционные факторы. Однако в реальной клетке этих факторов часто не хватает, так как они могут связываться с разными генами, а самих генов (например, на плазмидах) может быть сотни копий. Гены вынуждены конкурировать за ограниченный ресурс.
Создание и проверка модели
Исследователи построили статистическую модель для относительно простого случая: гена в бактерии E. coli с одним сайтом связывания для репрессорного транскрипционного фактора (который подавляет экспрессию). Модель предсказывала уровень экспрессии в зависимости от количества фактора и копий гена.
Затем эти предсказания проверили экспериментально. В клетки E. coli вводили гены на плазмидах. С помощью флуоресцентных белков (красный — транскрипционный фактор, зелёный — продукт гена) и видеомикроскопии учёные отслеживали количество фактора и скорость производства белка в реальном времени.
Результаты: два режима работы
Экспериментальные данные идеально совпали с предсказаниями модели. Было выявлено два ключевых режима:
- Дефицит белка: Транскрипционного фактора недостаточно, чтобы подавить все копии гена одновременно. Часть генов постоянно экспрессируется (светится зелёным), и между копиями генов существует корреляция — они "знают" о существовании друг друга.
- Избыток белка: Фактора так много, что его хватает на все гены. В этом случае они ведут себя почти независимо, как если бы других копий не было.
Модель как измерительный инструмент
Совпадение было настолько точным, что исследователи смогли использовать графики данных, чтобы предсказать, сколько копий плазмиды будет в клетке на разных этапах её роста и деления. Таким образом, модель превратилась в инструмент для измерения динамики репликации плазмид.
Это исследование показывает, что даже сложные биологические процессы в клетках бактерий могут быть описаны точными предсказательными уравнениями.