北卡罗莱纳州立大学的一项新研究表明，基因能够识别光信号中的编码信息并作出反应，同时也能完全过滤掉一些信号。这项研究显示了一种单一的机制如何能激发同一基因的不同行为，并在生物技术领域得到了应用。

“这里的基本想法是，你可以在基因接收的信号的动态中编码信息，”北卡罗来纳州立大学化学和生物分子工程助理教授、论文的通讯作者Albert Keung说，“所以，与其说信号是存在还是不存在，不如说信号呈现的方式很重要。”

在这项研究中，研究人员修改了酵母细胞，使其具有一种基因，当细胞暴露在蓝光下时，可以产生荧光蛋白。

这是如何运作的。基因的启动子区域负责控制基因的活性。在修饰过的酵母细胞中，一种特定的蛋白质与基因的启动子区结合。当研究人员用蓝光照射这种蛋白质时，它开始接受第二种蛋白质。当第二个蛋白质与第一个蛋白质结合时，基因就活跃起来。这很容易检测到，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种不同的光照模式下。每种光模式的不同在于光的强度、光脉冲的长度以及脉冲发生的频率。然后，研究人员绘制出细胞在每种光模式下产生的荧光蛋白的数量。

人们谈论基因的开启或关闭，但它不太像一个电灯开关，更像是一个调光开关——一个基因可以被激活一点，很多，或在两者之间的任何地方。如果一个特定的光模式导致了大量荧光蛋白的产生，那就意味着这个光模式使基因非常活跃。如果这种光模式只导致了少量荧光蛋白的产生，那就意味着这种模式只触发了基因的轻微活动。

“我们发现，就基因活动而言，不同的光模式会产生非常不同的结果，”论文第一作者、北卡罗来纳州立大学Jessica Lee说。“对我们来说，最大的惊喜是输出和输入并没有直接相关。我们的预期是，信号越强，基因就越活跃。但事实并非如此。一种光模式可能会使该基因明显比另一种光模式更活跃，即使两种光模式暴露在相同的光照下。”

研究人员发现，所有三种光模式变量——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，但他们发现，控制光脉冲的频率可以最精确地控制基因活动。

“我们还在这里使用实验数据来开发一个计算模型，帮助我们更好地理解为什么不同的模式产生不同水平的基因活性，”该论文的合著者、北卡罗来纳州立大学的博士生Leandra Caywood说。

“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，你得到的基因活性比你从应用的光量中预期的要多。”“通过这个模型，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和回到一起，以对每次脉冲做出反应。基本上，蛋白质没有时间在脉冲之间完全分离，所以花更多的时间连接在一起——这意味着基因花更多的时间被激活。了解这些动态对帮助我们弄清楚如何利用这些信号更好地控制基因活动非常有用。”

“我们的发现与对光作出反应的细胞有关，比如在树叶中发现的细胞，”Keung说。“但它也告诉我们，基因对信号模式有反应，而信号模式可能是通过光以外的机制传递的。”

这是实际情况。细胞可以接收化学信号。这种化学物质的存在是无法模式化的——要么存在，要么不存在。然而，细胞可以通过创建目标基因的模式信号来对化学物质的存在作出反应。细胞通过控制与启动子区域结合的蛋白质进入和离开细胞核的速率来做到这一点。把控制这种蛋白质的存在和缺失想象成从细胞向基因发送莫尔斯电码信息。根据一系列其他变量——比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给相同的基因提供不同的信息，”Keung说。“所以细胞可以使用一种蛋白质使一种基因对不同的化学物质做出不同的反应。”

在另一组实验中，研究人员发现基因也能够过滤掉一些信号。这其中的机制既简单又神秘。研究人员可以确定，当第二个蛋白质连接到基因的启动子区域时，一些光脉冲频率并没有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基因只对一组特定的信号作出反应，但研究人员不知道第二种蛋白质是如何做到这一点的。

研究人员还发现，他们可以通过控制附着在基因启动子区域的蛋白质的数量和类型，来控制基因可对不同信号作出反应的数量。

例如，你可以在启动子区域附加蛋白质作为过滤器，以限制激活基因的信号数量。或者你可以将蛋白质附着到启动子区域，以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，通过一个蛋白质连接，我们可以通过基因的启动子区域交流约1.71比特的信息，”Lee说。“在实践中，这意味着基因，没有一个复杂的蛋白质连接网络，能够区分3种以上的信号而不出错。之前的工作将基线设置为1.55位，所以这项研究推进了我们对可能的理解。这是我们可以建立的基础。”

研究人员说，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力学的理解。

研究人员表示，从近期来看，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，你经常想要管理细胞的生长和这些细胞产生特定蛋白质的速度。”“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。”

原文检索：

“Mapping the Dynamic Transfer Functions of Eukaryotic Gene Regulation,” will be published Aug. 31 in the journal Cell Systems.