Un equipo de investigadores de biología cuantitativa de la Universidad de Northwestern ha descubierto nuevas ideas sobre el impacto de la estocasticidad en la expresión génica, ofreciendo nuevas pistas evolutivas sobre los principios de diseño de organismos frente a las limitaciones físicas.
En las células, los genes se expresan a través de la transcripción, un proceso donde la información genética codificada en el ADN se copia en ARN mensajero ARNm. El ARNm se traduce para formar moléculas de proteínas, los caballos de batalla de las células. Todo este proceso está sujeto a explosionesde estocasticidad natural, o aleatoriedad, que puede afectar el resultado de los procesos biológicos que llevan a cabo las proteínas.
Los nuevos análisis experimentales y teóricos de los investigadores estudiaron una colección de genes en Drosophila, una familia de moscas de la fruta, y descubrieron que la expresión de genes está regulada por la frecuencia de estas explosiones transcripcionales.
"Se sabe desde hace casi dos décadas que los niveles de proteína pueden demostrar grandes niveles de estocasticidad debido a su pequeño número, pero esto nunca se ha demostrado empíricamente en organismos multicelulares durante el curso de su desarrollo", dijo Madhav Mani, profesor asistentede ciencias de la ingeniería y matemáticas aplicadas en la McCormick School of Engineering. "Este trabajo identifica por primera vez el papel de la aleatoriedad en la alteración del resultado de un proceso de desarrollo".
Un artículo que describe el trabajo, titulado "Los morfógenos Wg y Dpp regulan la expresión génica modulando la frecuencia de los estallidos transcripcionales", se publicó el 22 de junio en la revista eLife . Mani es coautor del estudio junto con Richard Carthew, profesor de biociencias moleculares en el Weinberg College of Arts and Sciences. Ambos son miembros del Centro NSF-Simons de Biología Cuantitativa de Northwestern, que reúne a científicos matemáticos ybiólogos del desarrollo para investigar la biología del desarrollo animal.
Este estudio se basa en un artículo reciente en el que los investigadores estudiaron el papel de la expresión de genes estocásticos en la formación de patrones sensoriales en Drosophila. Al analizar las perturbaciones experimentales del gen sin sentido de Drosophila contra modelos matemáticos, el equipo determinó las fuentes de la estocasticidad del gen, ydescubrió que la aleatoriedad parece estar apalancada para determinar con precisión el destino de las neuronas sensoriales.
Los investigadores aplicaron esa comprensión a este último estudio utilizando una técnica llamada hibridación in situ de fluorescencia de molécula única smFISH para medir el ARNm naciente y maduro en genes posteriores a dos factores de diseño clave, Wg y Dpp, responsables del desarrollo del órgano de la frutaAl comparar las mediciones con sus modelos de datos, los investigadores descubrieron que, si bien el patrón de expresión de cada gen es único, el mecanismo por el cual se regula la expresión, que el equipo denominó "modulación de frecuencia de ráfaga", es el mismo.
"Nuestros resultados muestran que los niveles de aleatoriedad de las proteínas se ven afectados por la estructura física del genoma que rodea al gen de interés al modular las características del 'software' que controla los niveles de expresión génica", dijo Mani. "Desarrollamosun enfoque experimental para estudiar una gran colección de genes con el fin de discernir las tendencias generales de cómo se regula el software estocástico de la regulación génica ".
Mani dijo que los patrones observados de regulación génica funcionan como un interruptor de luz estocástico.
"Digamos que está encendiendo y apagando rápidamente un interruptor de luz, pero desea obtener más brillo de su bombilla. Puede obtener una bombilla más brillante que produzca más fotones por unidad de tiempo, o puede dejar el interruptor 'encendido'más que 'apagado' ", dijo Mani." Lo que descubrimos es que los organismos controlan la cantidad de expresión génica regulando con qué frecuencia se permite que el gen se active, en lugar de producir más ARNm cuando está activado ".
Carthew, director del Centro de Biología Cuantitativa, agregó que este modo de regulación de la expresión génica se observó para múltiples genes, lo que sugiere la posibilidad de un principio biológico más amplio donde el control cuantitativo de la expresión génica aprovecha la naturaleza aleatoria del proceso.
"De estos estudios, estamos aprendiendo reglas sobre cómo los genes pueden hacerse más o menos ruidosos", dijo Carthew. "A veces las células quieren aprovechar el ruido genético, el nivel de variación en la expresión génica, para tomar decisiones aleatoriasOtras veces, las células quieren suprimir el ruido porque hace que las células sean demasiado variables para el bien del organismo. Las características intrínsecas de un gen pueden imbuirlas con más o menos ruido ".
Mani dijo que, aunque los ingenieros están entusiasmados con la capacidad de controlar y manipular los sistemas biológicos, es necesario descubrir más conocimientos fundamentales.
"Solo conocemos la punta del iceberg", dijo Mani. "Estamos lejos de un momento en que la ciencia básica se considera completa y todo lo que queda es ingeniería y diseño. El mundo natural todavía está ocultando sus misterios más profundos".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad del Noroeste . Original escrito por Alex Gerage. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :