Sieci Regulacyjne Genów: Przełączniki Skokowe, Repressilatory i Funkcje Hill

Geny komórki są splecione jak obwód elektryczny

Gen nie tylko leży i jest odczytywany z stałą prędkością – jego produkt białkowy może włączać lub wyłączać inne geny, co z kolei może wpływać na kolejne geny, tworząc sprzężenie zwrotne z pierwotnym genem. Rezultatem jest sieć regulacji genów: węzłami są geny, a krawędziami są 'ta białka aktywują lub hamują dany gen', a całość zachowuje się mniej jak lista części i bardziej jak analogowy obwód elektroniczny zbudowany z promotorów i represorów zamiast tranzystorów.

Standardowym sposobem modelowania jednej krawędzi tego obwodu jest funkcja Hill, która oddaje sposób, w jaki efekt czynnika transkrypcyjnego na docelowy gen saturuje wraz ze wzrostem jego stężenia, a nie rośnie w nieskończoność:

aktywacja: f(x) = x^n / (K^n + x^n) – rośnie od 0 do 1 wraz ze wzrostem x represja: f(x) = K^n / (K^n + x^n) – spada od 1 do 0 wraz ze wzrostem x k = stężenie w połowie maksymalnego efektu, n = współczynnik Hilla (ostrość / współpraca)

activation:  f(x) = x^n / (K^n + x^n)      rises from 0 toward 1 as x grows
repression:  f(x) = K^n / (K^n + x^n)      falls from 1 toward 0 as x grows
K = concentration at half-maximal effect,  n = Hill coefficient (steepness / cooperativity)

Przełącznik: pamięć komórki

Połącz dwie geny tak, aby każde hamowało drugie, i uzyskasz przełącznik dwustany (dwa stabilne stany istnieją – gen A włączony / gen B wyłączony, lub odwrotnie), a sieć utrzyma się w stanie, w którym zaczęła się albo w którym ostatnio ją „przesunęli”, odmawiając samodzielnego przejścia na drugi stan. Gardner, Cantor i Collins zbudowali dokładnie taki obwód w *E. coli* w 2000 roku, jeden z założeniowych eksperymentów syntezy biologicznej, i działa on jako prymitywna forma pamięci komórkowej – tymczasowy sygnał może przełączyć przełącznik, ale stan utrzymuje się po jego zaniku, wykazując tę samą charakterystykę co tranzystor SR w elektronice cyfrowej.

Represor: zegar zbudowany z trzech represorów

Zbuduj trzy geny w pierścień represji zamiast dwóch – A tłumi B, B tłumi C, a C tłami A – i zamiast ustalić się w stabilnym stanie, system może oscylować: białko każdego genu rośnie, tłumi następny, spada, gdy rośnie jego własny represor, a cykl powtarza się bez końca. To jest represor, zbudowany przez Elowitz i Leibler w 2000 roku jako drugi, fundamentalny obwód syntetycznej biologii, który wykazał, że samopodtrzymujący się zegar biologiczny może zostać zaprojektowany z części bez oscylacji na własną rękę – oscylacja jest czystym wynikiem topologii sieci (nieparzysta liczba krawędzi represyjnych w pętli) oraz odpowiednich szybkości degradacji, a nie dzięki wyjątkowości jakiegokolwiek pojedynczego genu.

Pętle zwrotne: wbudowane filtry

Oprócz przełączników i zegarów, jeden trzyelementowy motyw – gen A regulujący gen B zarówno bezpośrednio, jak i pośrednio poprzez gen C – pojawia się znacznie częściej w rzeczywistych sieciach regulacyjnych (np. u *E. coli*) niż wynikałoby to z losowego połączenia. W takiej pętli zwrotnej, gdzie oba ścieżki mają zgodny znak, działa jako filtr persystencji: włącza tylko całkowicie gen B, jeśli sygnał wejściowy z A pozostaje obecny wystarczająco długo, aby wolniejsza ścieżka pośrednia przez C dogoniła go, co filtruje krótkotrwałe szczyty szumu, jednocześnie reagując na trwałe sygnały. Niezgodna pętla zwrotna, w której oba ścieżki się różnią, zamiast tego generuje impuls – szybki wzrost z bezpośredniej ścieżki, po którym następuje powrót do wartości bazowej, gdy opóźniona, przeciwległa ścieżka pośrednia dogoni ją.

Dlaczego równania różniczkowe o wyższych rzędach, i w jakich przypadkach zawodzą

Modelowanie stężeń białek i mRNA jako zmiennych ciągłych, podległych prawom równań różniczkowych o wyżsших rzędach – szybkość produkcji jako funkcja Hill regulatorów, pomniejszona o liniowy człon degradacji – działa dobrze, gdy liczba cząstek jest w setkach lub tysiącach, co jest typowe dla wielu genów. Jednak niektóre regulatory występują jedynie w kilkudziesięciu kopiach na komórce, a dyskretość i losowość pojedynczych zdarzeń wiązania i transkrypcji (szum stochastyczny) mogą być wystarczające, aby zniekształcić rzeczywiste zachowanie, takie jak identyczne genetycznie komórki w tym samym środowisku, które ustabilizują się w widocznie różnych stanach wyłącznie przez przypadek – co samo w sobie jest czasem celem, np. w przypadku persistencji bakterii i różnicowania komórek macierzystych.

Frequently asked questions

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Gene Regulatory Network i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.