Новая вычислительная модель точно описывает динамику экспрессии генов

Вычислительные биологи использовали аналитический подход для случайных событий в предсказуемой системе и создали новый способ точного моделирования некоторых форм экспрессии генов, включая 24-часовые внутренние часы организма. Этот новый подход, применяющий кусочно-детерминированный марковский процесс (PDMP) к экспрессии генов, может предложить принципы проектирования для синтетических биологов.

"В этом исследовании мы разработали упрощающий метод, чтобы свести класс часто используемых моделей экспрессии генов к математической модели PDMP, потому что её легче анализировать и моделировать, чем предыдущие модели", — сказал Йен Тинг Лин, ведущий автор исследования.

Новая модель оказалась естественным языком для описания динамики экспрессии генов у эукариот. Математические модели кинетики химических реакций (в данном случае — процесса экспрессии генов) часто предполагают, что из-за гораздо более быстрого масштаба реакций можно использовать усреднение как аналитический метод. Однако последние эксперименты показывают, что такое быстрое усреднение может быть неверным.

Эксперименты на отдельных клетках показывают, что экспрессия генов случайна и "всплесковая". Эта особенность может возникать из-за медленного переключения между состояниями промотора с разной активностью. Промоторы помогают регулировать экспрессию генов, но механизмы их активации и влияние кинетики остаются неясными. Один из источников долгоживущих состояний промотора — медленная кинетика связывания и диссоциации транскрипционных факторов с промоторами. Исследование показало, что математическая модель PDMP точно описывает случайную (стохастическую) динамику экспрессии генов в неадиабатическом режиме (где кинетика промоторов медленная и быстрое усреднение невозможно).

Исследование также показало, что колебательная динамика может быть более устойчивой, чем считалось ранее, поскольку медленная кинетика промоторов может вызывать надежные колебания, которые не способен обеспечить быстро переключающийся промотор.

"Возможные механизмы регуляции когерентности колебаний, которые могли развиться у живых организмов для формирования устойчивого циркадного ритма, также могут быть выявлены с помощью теоретического анализа", — отметил Лин.