Бактерии способны включать и выключать определенные гены, когда они чувствуют изменения в окружающей среде, в том числе присутствие лекарственных препаратов.
Такое переключение происходит благодаря транскрипции, которая преобразует ДНК в мРНК, на основе которой строятся белки, составляющие структуру микроорганизма. По этой причине понимание того, как регулируется производство мРНК для каждого бактериального гена, имеет центральное значение для, например, борьбы с резистентностью к антибиотикам, но подходы, используемые для изучения этой регуляции, до сих пор были очень трудоемкими.
Микроорганизмы определяют скорость транскрипции тысяч генов с помощью нескольких режимов регуляции, которые повторяются по всему геному. У бактерий взаимосвязь между регуляторной архитектурой гена и его экспрессией хорошо изучена для отдельных модельных генных контуров. Однако более широкое представление об этой динамике в масштабах генома отсутствует, отчасти потому, что бактериальная транскриптомика до сих пор фиксировала лишь статический снимок экспрессии, усредненный по миллионам клеток. В результате все разнообразие динамики экспрессии генов и их связь с регуляторной архитектурой остаются неизвестными.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature, ученые из Медицинской школы Гроссмана Нью-Йоркского университета показали, что то, как гены включаются и выключаются дает ключ к их регуляции. Перед тем как клетки делятся, они должны скопировать свою ДНК таким образом, чтобы каждая из двух дочерних клеток имела свою копию. Для этого ДНК-полимераза прокручивает цепочку ДНК вниз, считывая и создавая копию каждого гена по очереди. Исследователи обнаружили, что когда ДНК-полимераза добирается до какого-либо конкретного гена, она останавливает транскрипцию таким образом, чтобы выявить состояние регуляторного статуса этого гена.
"Результаты нашего исследования показывают, что репликация генов во время клеточного цикла, может быть использована для изучения многих аспектов регуляции генов", - рассказал ведущий исследователь Эндрю Паунтин. "Нам нравится аналогия с электрокардиограммой в медицине", - поясняет он. "Наблюдая за электрической активностью сердца, ЭКГ дает подробное графическое представление о состоянии здоровья сердца пациента. Аналогично, изменения в количестве мРНК в ответ на репликацию гена создают на сигнатуру, которую авторы назвали профилем взаимодействия транскрипции и репликации, или TRIP (transcription-replication interaction profile).
Авторы показали, как конкретные сигнатуры могут быть связаны с определенными характеристиками. Например, находится ли ген под особым контролем, называемым репрессией, когда белок блокирует производство мРНК этого гена. Было обнаружено, что такие репрессированные гены имеют характерный профиль TRIP. "Наша цель - понять, как регуляция генов формирует эти сигнатуры TRIP, и использовать их для диагностики регуляции генов по всему комплексу из тысяч генов бактерии", - добавил Паунтин. "Мы надеемся, что дальнейшие исследования профилей экспрессии генов позволят понять, как группы генов реагируют на нарушения или изменения в окружающей среде".
Раскрывая основные факторы гетерогенности экспрессии генов, эта работа обеспечивает количественную биофизическую основу для моделирования динамики экспрессии, зависящей от репликации. Далее группа планирует исследовать конкретные TRIP генов, которые, как известно, участвуют в способности бактерий вызывать инфекционный процесс, чтобы найти способы прервать или остановить этот процесс. В конечном счете, они считают, что совершенствование технологий позволит им еще глубже изучить поведение генов у различных видов бактерий.
Новое исследование стало возможным благодаря технологическим достижениям в отслеживании активности генов в отдельных клетках в режиме реального времени с помощью scRNA-seq, или секвенирования единичных клеток, и smFISH, одномолекулярной флуоресцентной гибридизации in situ.
