Genele respectă un principiu de schimbare aleatorie, dar rămân precise în medie
În nucleul celular, genele trebuie activate și dezactivate cu precizie pentru a reglementa procesele biologice. Primele modele de reglementare a genelor au fost dezvoltate în anii 1960, dar știința modernă continuă să descopere noi straturi de control. Un nou studiu realizat de cercetători de la Institutul de Știință și Tehnologie Austria (ISTA), Institutul Pasteur și Universitatea Princeton, publicat în PNAS, sugerează acum că genele respectă un principiu optim de comutare – aleatoriu în orice moment, dar precis în medie.
O analogie simplă poate ilustra acest concept: imaginați-vă un aparat de aer condiționat cu două moduri, „pornit” și „oprit”. Afară, temperatura este de 40 °C. Când este oprit, aerul cald umple camera; când este pornit, acesta suflă aer rece la 15 °C.
Cum poate fi reglat pentru a menține temperatura camerei la un confortabil 25 °C?
Inginerii au o soluție numită modulare prin lățimea impulsului: sistemul alternează rapid între starea complet activă și cea complet inactivă, iar ceea ce contează este cât timp rămâne în fiecare stare – media produce temperatura dorită.
Celulele se confruntă cu o provocare similară atunci când reglează genele. Un nou cadru teoretic dezvoltat de Gašper Tkačik și Alexis Bénichou de la ISTA, împreună cu Benjamin Zoller și Thomas Gregor (Institut Pasteur și Universitatea Princeton), explică cum ar putea funcționa acest mecanism. Datele experimentale precise ale lui Zoller și Gregor au fost integrate în această publicație teoretică.
Există multe modele care încearcă să explice modul în care celulele comută genele cu precizie. Un concept bine cunoscut, modelul telegrafic, presupune că genele se activează în rafale scurte. Genele, prin urmare, pâlpâie aleatoriu între stările activ și inactiv, dar generează totuși modele de expresie genică foarte precise – de exemplu, în musca Drosophila.
Ce a rămas neclar este de ce celulele ar controla expresia genică folosind un mecanism care pare atât de irositor. Dacă un gen ar trebui să fie activ 80 % din timp, de ce să nu rămână constant la acel nivel în loc să fluctueze între zero și 100 %? Și dacă pâlpâirea este strategia aleasă, ce reglează temporizarea acestor comutări?
În timp ce aparatele de aer condiționat se bazează pe comutatoare concepute care pot fi activate la orice moment dorit cu precizie, celulele nu dispun de astfel de componente. Ele nu pot dicta momentul exact al fiecărei schimbări de stare, dar pot modula doar probabilitatea de comutare.
Noile rezultate indică faptul că pâlpârea genelor urmează un principiu organizatoric – unul definit de un timp caracteristic constant. „În fizică, numim acest timp de corelație, ‘Tc’”, explică Tkačik. „Acesta rămâne constant, indiferent de nivelul dorit de expresie, permițând un control foarte precis al expresiei. Această descoperire a fost o mare surpriză, deoarece este inconsistentă cu modelele publicate anterior.”
Pe scurt: este aleatoriu în orice moment, dar precis în medie.
Precizia necesită energie.
Modelele clasice descriu adesea expresia genică ca un proces pasiv, de echilibru: factorii de transcripție se leagă și se desprind aleatoriu de ADN, activând sau silențind ocazional genele. Acest control pasiv nu consumă energie.
Cu toate acestea, timpul constant de corelație observat în musca Drosophila nu poate fi explicat ușor prin astfel de modele de echilibru. În celulele eucariote, reglementarea pare să implice procese mai complexe, conduse de energie. Noua cercetare introduce o abordare teoretică sugerând că comutarea genelor operează în afara echilibrului termodinamic – este alimentată activ și costă energie.
Următorul pas, spun cercetătorii, este testarea experimentală a acestei predicții.
Conform lui Tkačik, lucrările ulterioare vor viza dezvoltarea unui model mecanic, bazat pe fizică – un set de ecuații calibrate cu date experimentale – pentru a descrie dacă dinamica stocastică de activare și dezactivare la nivelul nucleelor individuale este cauzată de faptul că reglementarea genică se află de fapt pe polimerul ADN. De asemenea, se va evalua modul în care astfel de dinamici pot genera modelele de expresie genică foarte precise observate la scară întregului organism.
