La dinámica de señalización ajusta la expresión génica
ARRIBA: ISTOCK.COM, CHRISTOPH BURGSTEDT
Usando luz para controlar las interacciones entre un factor de transcripción y un promotor genético, un equipo de ingenieros ha demostrado que patrones de interacción específicos pueden resultar en distintos niveles de actividad génica. En su artículo, publicado esta semana (31 de agosto) en Cell Systems, el equipo sugiere que este nuevo mecanismo de control de genes podría aprovecharse para aplicaciones biotecnológicas.
Es genial; es bonita novela. Se necesita una visión diferente de cómo funciona, o puede funcionar, la regulación genética, dice el bioingeniero Jeff Tabor de la Universidad Rice, que no participó en el estudio. El estudio muestra cómo se puede codificar la información [en señales dinámicas]. . . y cómo podemos modificarlo para poder programar el comportamiento celular, dice.
Fue un artículo muy impresionante, está de acuerdo el bioingeniero Lukasz Bugaj de la Universidad de Pensilvania, quien tampoco participó en el proyecto. Es una mirada muy sistemática y cuantitativa a cómo se transmite dicha información a través de un promotor.
La descripción de libro de texto de la regulación génica, explica Bugaj, sostiene que una proteína activadora, conocida como factor de transcripción, se une a un gen región promotora para iniciar la transcripción. Pero, por supuesto, sabemos que es más complicado que eso. No es simplemente la presencia o ausencia de un factor de transcripción lo que activa o desactiva un gen, dice. Varios elementos pueden influir en la cantidad de expresión.
Puede haber diferencias en la cantidad total de factor de transcripción disponible, por ejemplo, o en la accesibilidad del promotor debido a cambios locales en la estructura de la cromatina, es decir, la forma en que el ADN se envuelve alrededor de sus proteínas asociadas. Las variaciones en la dinámica de un factor de transcripción dado también parecen influir en los resultados de la expresión génica, dice Tabor. Por ejemplo, se ha descubierto que ciertos factores de transcripción se desplazan entre el núcleo y el citoplasma o permanecen en el núcleo a largo plazo. Puedes pensar en ello como un pariente visitante, dice. Tu mamá podría venir a visitarte durante una semana seguida, o podría venir un día al mes durante siete meses. El tiempo total que ella pasa en su casa sería el mismo, pero el efecto sería muy diferente.
Pero aunque la evidencia sugiere que las diferentes dinámicas de los factores de transcripción inducen diferentes resultados, ha sido un desafío estudiar el fenómeno sistemáticamente. . Esto se debe en parte a que los estudios han tendido a observar las interacciones de los factores de transcripción de genes naturales donde podrían estar en juego otras influencias de confusión, como modificaciones en los factores de transcripción o asociaciones con otras proteínas.
La pregunta directa que debe responderse es: ¿Responden realmente los genes de manera diferente a estos diferentes patrones dinámicos? ¿Es realmente la dinámica lo que importa? dice Albert Keung, quien estudia biología sintética en la Universidad Estatal de Carolina del Norte y dirigió la investigación.
Para responder a esta pregunta, Keung adoptó un enfoque sintético superreduccionista, dice, para descartar variables de confusión. Lo que queríamos hacer era controlar muy directamente el factor de transcripción que se unía o no al promotor del gen.
El equipo creó un gen sintético, que codificaba una proteína indicadora fluorescente y estaba controlado por un promotor inducible por la luz. , y lo transfectó de forma estable en la levadura Saccharomyces cerevisiae. La levadura se diseñó para producir un factor de transcripción especialmente diseñado de modo que cuando las células se expusieran a la luz azul, el factor de transcripción se uniría al promotor y activaría la transcripción. Cuando se apagó la luz, se liberó el factor.
Las células de levadura que contenían el gen sintético se cultivaron en placas de varios pocillos, y cada pocillo se expuso a su propia luz LED programable. Los pozos recibieron diferentes patrones de luz que variaban en frecuencia de pulso, duración e intensidad durante 14 horas, momento en el que los investigadores detuvieron químicamente la expresión génica y analizaron las células mediante citometría de flujo. Se probaron un total de 119 patrones de luz.
Los datos revelaron que, en general, más luz (es decir, más fotones que golpean las células) inducía una mayor expresión génica. Sin embargo, esto no siempre fue así. En algunos casos, diferentes patrones de luz (y, por lo tanto, diferentes dinámicas de factores de transcripción) indujeron niveles de expresión que variaron significativamente en un orden de magnitud diferente, dice Keung, a pesar de entregar el mismo número total de fotones.
En otro conjunto de experimentos, el equipo probó cómo las diferentes proteínas reguladoras de la cromatina afectaban los resultados y descubrió que algunos reguladores de la cromatina resistían ciertos patrones de interacción por completo, de modo que el gen apenas expresaba la proteína fluorescente. Por el contrario, otros reguladores de la cromatina indujeron altos niveles de expresión génica en respuesta a ciertos patrones dinámicos a pesar de que el nivel de luz total era bajo.
De los tres parámetros de pulso de luz probados, frecuencia, intensidad y duración, el equipo encontró que la frecuencia parecía transmitir la mayor parte de la información a través del promotor, dice Keung. Dicho de otro modo, la alteración de la frecuencia de los pulsos de luz dio al equipo un control más preciso sobre la actividad de los genes que la alteración de la duración del pulso o la intensidad de la luz.
Juntos, los resultados sugieren que los promotores de genes eucarióticos sí tienen la capacidad para interpretar la dinámica de la señal y alterar su salida en consecuencia. Dicha información no solo amplía nuestra comprensión de los mecanismos reguladores de genes, sino que también podría ser valiosa en los esfuerzos de biotecnología, dice la ingeniera química Katie Galloway del MIT, que no formó parte del equipo de investigación.
Escribe en un correo electrónico a The Scientist, Al mejorar nuestra comprensión de cómo funciona la regulación génica, [los autores] brindan oportunidades interesantes para mejorar el rendimiento de las células y los circuitos diseñados.