Математическая модель предсказала способ регуляции генетической активности

Когда мы говорим о регуляции активности генов, то в половине случаев речь идёт о факторах транскрипции — специальных белках, которые связываются с регуляторными областями в ДНК и за счёт этого могут активировать или блокировать транскрипцию, то есть синтез матричной РНК на ДНК-шаблоне. Факторы транскрипции — мощнейшее средство контроля над генами, поэтому не удивительно, что их до сих пор изучают самым пристальным образом.

Однако и самих факторов, и генов, которые они контролируют, великое множество. Ситуация осложняется тем, что часто один фактор управляет активностью сразу нескольких генов. Обычно в таких случаях допускают, что существует достаточное количество активирующего или подавляющего белка-фактора, чтобы оказать на ген необходимое влияние. Но в действительности легко представить себе, что если фактора относительно мало, а регуляторных областей для него много, то белок-фактор будет в буквальном смысле разбавляться, и его просто не хватит, чтобы быть и там, и там, и ещё там. А это значит, что у клетки появляется дополнительная регуляторная «опция» для тех же транскрипционных факторов: они могут менять активность генов не просто за счёт собственного отсутствия/присутствия, а и с помощью собственной концентрации.

Эту регуляторную возможность попробовали повнимательнее исследовать Роб Филлипс (Rob Phillips) и его коллеги из Калифорнийского технологического института (США). Целью учёных было построение математической модели, которая учитывала бы конкуренцию генов за ограниченный набор факторов транскрипции. Но если принимать во внимание все возможные нюансы такой ситуации, это сильно запутает дело, поэтому исследователи начали с самого простого варианта: они строили свою конкурентную модель для генов, которые могли связывать только одну молекулу транскрипционного фактора, и фактор этот, соединившись с геном, подавлял его работу.

Число копий гена в этой модели можно было свободно менять, что позволяло рассмотреть разные соотношения регуляторного белка и регулируемой ДНК. Но что за модель без экспериментального подтверждения? Авторы работы поставили опыт на кишечной палочке: в бактерии вводили плазмиды с геном флюоресцирующего белка; активность же этого гена зависела от транскрипционного фактора, который тоже мог светиться. По уровню и балансу свечения (а светились фактор и продукт гена по-разному) можно было определить соотношение между одним и другим.

Результаты эксперимента, описанные в журнале Cell, полностью подтвердили теоретическую модель. Можно, конечно, говорить, что это очевидно хотя бы из базовых химических соображений: как скорость реакции зависит от концентрации каждого её компонента, так и тут активность гена зависит и от числа копий самого гена, и от количества белка-регулятора. Однако это лишь теоретические качественные рассуждения, и до сих пор не было модели, которая позволяла бы выявить количественные соотношения того и другого, — а без количественного закона мы не могли бы сказать, что до конца понимаем этот аспект регуляции генетической активности.

В этой работе любопытно ещё и то, что математическая модель появилась раньше эксперимента, и сами авторы сравнивают это с тем, как существование планет можно предсказать по астрономическим законам и возмущениям орбит других известных тел. Остаётся надеяться, что исследователи не остановятся на достигнутом и постараются внести в модель поправки, которые учитывали бы не только такие простые случаи, но и более сложные (например, когда ген управляется более чем одним транскрипционным фактором или когда он может связать более одной молекулы белка-регулятора). В перспективе модель могла бы послужить сугубо практическим целям: к примеру, с её помощью можно было бы ограничить рост раковой опухоли, подействовав нужным образом на факторы транскрипции онкогенов.

Подготовлено по материалам Калифорнийского технологического института.