上下调整基因表达量

基因表达可以像开关一样打开和关闭，或者可以像音量控制旋钮一样进行微调。冲绳科学技术研究生院(OIST)的Nick Luscombe教授的研究科学家Garth Ilsley博士开发了一个数学模型，展示了如何可预测地调整基因表达。这是通过实验验证的，该技术用于调整Justin Crocker博士在美国Janelia Research Campus的David Stern博士开创的果蝇胚胎中的基因表达。该研究发表于Nature Genetics，对细胞和发育生物学有重要意义。 ，具有干细胞重编程和再生医学的潜在应用。

转录因子是与DNA的特定区域结合的蛋白质，称为增强子，从而调节基因表达。一些转录因子激活基因表达，而另一些则抑制它。基因表达水平就像收音机的音量; 一些转录因子会使音量增大，而其他转录因子则会降低音量。科学家们研究了激活和抑制的工作原理以及如何预测基因表达水平。以同样的方式，通过转动收音机的音量旋钮，可以知道音乐的大小或柔和程度并对其进行调节 - 除此之外，在这种情况下，每个转录因子都有自己的音量旋钮全部作用于同一位发言者。挑战在于了解它们如何协同工作以产生合适的体积。

伊尔斯利博士应用了一种新的数学模型，该模型不需要关于与增强子结合的转录因子的数量和位置的信息，这就像知道无线电的内部工作原理一样。相反，模型只有通过了解音量旋钮的转动方式才能正确预测最终音量。使用人工转录因子通过实验测试这些预测，所述人工转录因子激活和抑制具有不同强度的基因表达。

科学家们研究了果蝇(Drosophila melanogaster)早期胚胎。的数学模型表明，决定果蝇体的分割从头部到尾部的基因的表达是可调谐的。实验结果与模型的预测相符，表明人工激活剂和阻遏物可以以可控和可重复的方式逐渐增加和减少基因表达。这就像将另一个音量旋钮连接到收音机并发现它与现有旋钮协同工作。除了基因表达水平之外，该模型还能够预测胚胎中的哪个位置，例如腹侧或背侧，基因将被表达。“将模型和实验结合在一起是我们的梦想，”伊尔斯利博士兴奋地说。

该研究还表明，增强剂可以非常灵活地获得新的激活剂和抑制剂。“你可以引入外来转录因子，增强剂仍然有效。我们看到的增强剂根本不易碎。这在进化上非常重要，因为它显示了增强子活动如何逐步调整并保持在不断变化的环境中工作，”伊尔斯利博士。“每种激活剂和阻遏物都像是参与基因表达整体调整的通用成分。许多可能的天然或人工工程转录因子组合可以产生相同的增强子活性，”Ilsley博士解释说。

“我们正在摆脱必须使用基因表达的开/关模型来理解细胞类型是如何被指定的。单细胞水平的定量生物学进展，如定量成像和RNA测序，以及数学模型，现在给出生物学家们需要他们深入研究基因表达调整的复杂性以及可预测地操纵细胞所需的工具，“伊尔斯利博士总结道。