脉冲式基因调控
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- 发布时间:2018-09-28
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【概要描述】单细胞分析表明,在环境刺激条件下,转录因子在胞内分布位置的变化可以调控目标基因的表达。 大多数转录因子发挥作用是连续的,但也有一些转录因子通过快速从细胞核内外穿梭来实现脉冲式调控。相比于连续作用模式,脉冲式调控具有一些优势。例如,根据脉冲的频率或幅度也能编码信息,提高传输的信息量。然而,这一现象的研究十分困难,因为不同细胞的转录因子调控脉冲的模式是不同的。Lin等人克服了这一障碍,证实了在环境刺
脉冲式基因调控
【概要描述】单细胞分析表明,在环境刺激条件下,转录因子在胞内分布位置的变化可以调控目标基因的表达。 大多数转录因子发挥作用是连续的,但也有一些转录因子通过快速从细胞核内外穿梭来实现脉冲式调控。相比于连续作用模式,脉冲式调控具有一些优势。例如,根据脉冲的频率或幅度也能编码信息,提高传输的信息量。然而,这一现象的研究十分困难,因为不同细胞的转录因子调控脉冲的模式是不同的。Lin等人克服了这一障碍,证实了在环境刺
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- 发布时间:2018-09-28
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单细胞分析表明,在环境刺激条件下,转录因子在胞内分布位置的变化可以调控目标基因的表达。
大多数转录因子发挥作用是连续的,但也有一些转录因子通过快速从细胞核内外穿梭来实现脉冲式调控。相比于连续作用模式,脉冲式调控具有一些优势。例如,根据脉冲的频率或幅度也能编码信息,提高传输的信息量。然而,这一现象的研究十分困难,因为不同细胞的转录因子调控脉冲的模式是不同的。Lin等人克服了这一障碍,证实了在环境刺激响应中,多种转录因子脉冲可以调节基因表达。
芽殖酵母中表达的Msn2蛋白是首个被确认为可通过脉冲方式调控基因的转录因子,当细胞暴露于光下时,Msn2会入核,从而激活靶基因的转录。这样的脉冲信号可能对细胞有利,也可能对细胞造成伤害,因为发送的信息随着时间的推移而变化。在电子设备中,一般通过确保多个组件可以执行相同的任务来解决这个问题。从理论上讲,这一原则也适用于细胞信号通路,通过多条整合的通路来传输信号脉冲,从而提高信号传输的可靠性。事实上,细胞信号通路也的确采用了这种策略,例如 Msn2与转录抑制蛋白Mig1相互拮抗,从而精细控制各种条件下的基因表达。
Lin等人使用不同的荧光蛋白来标记Msn2和Mig1,以此来研究这两种转录因子脉冲信号的动态过程。他们将这些细胞连接到一个微流体装置,细胞培养液流经该装置,该装置能够监控转录分子的运动,以及两种转录因子调控下后续基因的表达。
细胞培养液中葡萄糖的耗尽会引发Mig1出核和Msn2入核,从而增加靶基因的表达。如果Msn2和Mig1以简单的连续模式调控基因表达,或者如果他们以随机时长的脉冲模式调节,那么葡萄糖消耗会逐渐改变整个细胞群体的核转录因子的平均水平,靶基因的表达会逐渐提高到一个新的稳定状态。相反,Lin等人观察到,葡萄糖耗尽后会出现一个“瞬态阶段”,在这期间与之后达到稳态时的水平相比,Msn2和Mig1的核内平均水平分别增加和降低(图1A)。当系统发生改变时,就会出现这种超调——能够缩短目的基因的表达水平达到新稳态的时间。事实上,当葡萄糖浓度增加时,也会出现类似的现象: 能抑制靶基因表达的Mig1核内水平增加,降低靶基因相应的RNA的转录水平,从而快速降低相应蛋白的水平。
脉冲式基因调控(图一)
图1解读转录因子脉冲。转录因子Msn2和Mig1以脉冲方式入核,分别能够激活和抑制相同的靶基因的转录。a,Lin等人发现,在环境刺激下,转录因子水平脉冲的变化。细胞培养基中的葡萄糖浓度降低导致核中Mig1水平在短时间内大幅度降低,而Msn2则快速增加。这种“超调”使细胞能迅速增加基因表达,适应变化。此瞬态阶段过后,从细胞群体的角度来看,二者的核内水平和基因表达保持稳定。b,Lin等人还发现,只有在瞬态阶段,所有细胞的脉冲信号才是同步的。在此阶段后,单细胞中的这两个转录因子水平随机发生变化。当Msn2和Mig1的脉冲重叠时,基因表达下降。当 Msn2的脉冲不与Mig1不重叠时,靶基因表达增加。
Lin等人推测,实验中观察到的超调可能并不是一个瞬态事件,在稳态条件下可能依旧存在,只是在细胞群体水平上无法观测到,因为群体水平上作用相互抵消。然而,分析单细胞时,Lin等人发现,在稳态环境条件下,每个转录因子的脉冲是零零散散毫无规则的,以至于无法定义单个脉冲。在原则上,许多标准可用于定义这样的脉冲,但大多数毫无实际意义。Lin等人基于名为棘波触发平均技术(spike-triggered averaging)的神经科学技术,开发了一种有趣而实用的方法来检测单个脉冲。Lin等人通过测量设定时间内波峰附近Mig1和Msn2的平均水平来测量脉冲。
为了证实该方法的有效性,Lin等人研究了Msn2和Mig1的脉冲变化下靶基因的表达。例如,如果Msn2脉冲没有与Mig1脉冲重叠(即 Mig1的核内水平没有增加时),靶基因的表达增加。相反,如果Msn2脉冲与Mig1脉冲重叠,那么Msn2的作用被抵消,靶基因表达减少。这些观察结果表明,稳态条件下也存在转录因子脉冲。
在葡萄糖浓度增加后的稳态中,重叠的脉冲比例增加,从而增强靶基因表达的抑制效率。相反,在瞬态阶段,Lin等人只能检测到非重叠脉冲,这表明瞬态时期脉冲的时长是受调控的。这种情况下,各个细胞的脉冲是同步的,从而造成群体水平的超调。
棘波触发平均技术在分析细胞规律性的震荡信号上非常强大。到目前为止,大多数研究都聚焦于平均细胞行为,但例如细胞周期检查点等细胞响应具有非常大的细胞间差异。棘波触发平均可能有助于解开这类响应的调节机制。
此外,Lin等人使用的方法可用于在不了解所有的系统参数情况下,分析基因调控。例如,目前的研究表明,一个完全重叠的抑制脉冲能够中和激活脉冲,并且即使抑制脉冲与激活脉冲相差几分钟,这种抵消作用仍然存在。需要注意的是,即使在Mig1活性较低的情况下,也并不是所有的Msn2脉冲都能促进靶基因表达。这提示着,在今后的基因调控完整模型研究中,必须包括大规模行动动力学、随机建模和反应机制的识别。这些领域的研究在近年已取得巨大发展,并可能会整合起来,从而为从细节上理解信号通路的动态学做铺垫。
(吉林省奇健生物技术有限公司 www.qjbio.com.cn)
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