Ένα «λόμπι» όπου ένας όχλος μορίων λέει στα γονίδια τι να κάνουν | Περιοδικό Quanta

Η ανακάλυψη κατά τη διάρκεια του Έργου Ανθρώπινου Γονιδιώματος στις αρχές της δεκαετίας του 2000 ότι εμείς οι άνθρωποι έχουμε μόνο περίπου 20,000 γονίδια που κωδικοποιούν πρωτεΐνες - περίπου τόσα όσα ο μικροσκοπικός νηματώδης σκουλήκι που κατοικεί στο έδαφος και λιγότερο από τα μισά όσο το φυτό του ρυζιού - προκάλεσε σοκ. . Αυτό το χτύπημα στην περηφάνια μας αμβλύνθηκε, ωστόσο, από την ιδέα ότι το ανθρώπινο γονιδίωμα είναι πλούσιο σε ρυθμιστικές συνδέσεις. Τα γονίδιά μας αλληλεπιδρούν σε ένα πυκνό δίκτυο, στο οποίο κομμάτια DNA και τα μόρια που κωδικοποιούν (RNA και πρωτεΐνες) ελέγχουν την «έκφραση» άλλων γονιδίων, επηρεάζοντας το αν παράγουν το αντίστοιχο RNA και τις πρωτεΐνες τους. Για να κατανοήσουμε το ανθρώπινο γονιδίωμα, έπρεπε να κατανοήσουμε αυτή τη διαδικασία γονιδιακής ρύθμισης.

Αυτό το έργο, ωστόσο, αποδεικνύεται πολύ πιο δύσκολο από την αποκωδικοποίηση της αλληλουχίας του γονιδιώματος.

Αρχικά, υπήρχε η υποψία ότι η ρύθμιση των γονιδίων ήταν μια απλή υπόθεση ενός γονιδιακού προϊόντος που ενεργούσε ως διακόπτης on/off για ένα άλλο γονίδιο, με ψηφιακό τρόπο. Στη δεκαετία του 1960, οι Γάλλοι βιολόγοι François Jacob και Jacques Monod για πρώτη φορά διευκρίνισαν μια γονιδιακή ρυθμιστική διαδικασία σε μηχανιστική λεπτομέρεια: Σε Escherichia coli βακτήρια, όταν μια πρωτεΐνη καταστολέας δεσμεύεται σε ένα συγκεκριμένο τμήμα του DNA, εμποδίζει τη μεταγραφή και τη μετάφραση μιας γειτονικής σειράς γονιδίων που κωδικοποιούν ένζυμα για την πέψη του σακχάρου της λακτόζης. Αυτό το ρυθμιστικό κύκλωμα, το οποίο ο Monod και ο Jacob ονόμασαν το λάκκα οπερόν, έχει μια τακτοποιημένη, διάφανη λογική.

Αλλά η γονιδιακή ρύθμιση σε πολύπλοκα μεταζωάρια - ζώα όπως ο άνθρωπος, με πολύπλοκα ευκαρυωτικά κύτταρα - δεν φαίνεται γενικά να λειτουργεί με αυτόν τον τρόπο. Αντίθετα, περιλαμβάνει μια συμμορία μορίων, συμπεριλαμβανομένων πρωτεϊνών, RNA και τεμαχίων DNA από όλο το χρωμόσωμα, που κατά κάποιο τρόπο συνεργάζονται για να ελέγξουν την έκφραση ενός γονιδίου.

Δεν είναι μόνο ότι αυτή η ρυθμιστική διαδικασία στους ευκαρυώτες έχει περισσότερους παίκτες από ό,τι φαίνεται συνήθως στα βακτήρια και σε άλλα απλά, προκαρυωτικά κύτταρα. φαίνεται να είναι μια κατηγορηματικά διαφορετική διαδικασία και πιο θολή.

Μια ομάδα στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ, με επικεφαλής τον βιοφυσικό και βιομηχανικό Πόλυ Φόρνταις, φαίνεται τώρα να έχει αποκαλύψει ένα συστατικό αυτού του ασαφούς τρόπου γονιδιακής ρύθμισης. Η δουλειά τους, που δημοσιεύτηκε τον περασμένο Σεπτέμβριο στο Επιστήμη, υποδηλώνει ότι το DNA κοντά σε ένα γονίδιο λειτουργεί ως ένα είδος ρηχού πηγαδιού για την παγίδευση διαφόρων ρυθμιστικών μορίων, διατηρώντας τα έτοιμα για δράση, ώστε, όταν χρειαστεί, να μπορούν να προσθέσουν τη φωνή τους στην απόφαση για το αν θα ενεργοποιηθεί το γονίδιο.

Αυτά τα ρυθμιστικά φρεάτια κατασκευάζονται από αναμφισβήτητα περίεργα τμήματα DNA. Αποτελούνται από αλληλουχίες στις οποίες μια μικρή έκταση DNA, μήκους από ένα έως έξι ζεύγη βάσεων, επαναλαμβάνεται πολλές φορές. Δεκάδες αντίγραφα αυτών των «μικρών διαδοχικών επαναλήψεων» (STR) μπορούν να συνδυαστούν σε αυτές τις ακολουθίες, όπως η ίδια μικρή «λέξη» που γράφεται ξανά και ξανά.

Τα STR είναι άφθονα στο ανθρώπινο γονιδίωμα: Αποτελούν περίπου το 5% του συνόλου του DNA μας. Κάποτε θεωρούνταν ότι ήταν κλασικά παραδείγματα «άχρηστου» DNA, επειδή ένα επαναλαμβανόμενο «κείμενο» DNA που αποτελείται μόνο από STR δεν μπορεί να περιέχει σχεδόν τόσες σημαντικές πληροφορίες όσο, ας πούμε, η ακανόνιστη ακολουθία γραμμάτων που συνθέτουν μια πρόταση σε αυτό. άρθρο.

Και όμως, τα STR δεν είναι σαφώς ασήμαντα: έχουν συνδεθεί με παθήσεις όπως η νόσος του Huntington, η μυϊκή ατροφία της σπονδυλικής στήλης, η νόσος του Crohn και ορισμένοι καρκίνοι. Τις τελευταίες δύο δεκαετίες, έχουν συσσωρευτεί στοιχεία ότι μπορούν με κάποιο τρόπο να ενισχύσουν ή να αναστείλουν τη γονιδιακή ρύθμιση. Το μυστήριο ήταν πώς θα μπορούσαν να είναι τόσο ισχυροί με τόσο λίγο περιεχόμενο πληροφοριών.

Σύνθετα στοιχεία ελέγχου για σύνθετα κύτταρα

Για να κατανοήσουμε πώς τα STR ταιριάζουν στη μεγάλη εικόνα της γονιδιακής ρύθμισης, ας κάνουμε ένα βήμα πίσω. Τα γονίδια πλαισιώνονται συνήθως από κομμάτια DNA που δεν κωδικοποιούν RNA ή πρωτεΐνη αλλά έχουν ρυθμιστικές λειτουργίες. Τα βακτηριακά γονίδια έχουν περιοχές «προαγωγείς» όπου τα ένζυμα πολυμεράσης μπορούν να συνδεθούν για να ξεκινήσουν τη μεταγραφή του γειτονικού DNA σε RNA. Έχουν επίσης συνήθως περιοχές «χειριστή», όπου οι πρωτεΐνες καταστολέα μπορούν να συνδεθούν για να εμποδίσουν τη μεταγραφή, απενεργοποιώντας ένα γονίδιο, όπως στο λάκκα οπερόνιο.

Στους ανθρώπους και σε άλλους ευκαρυώτες, οι ρυθμιστικές αλληλουχίες μπορεί να είναι πιο πολλές, ποικίλες - και περίπλοκες. Οι περιοχές που ονομάζονται ενισχυτές, για παράδειγμα, επηρεάζουν την πιθανότητα μεταγραφής ενός γονιδίου. Οι ενισχυτές είναι συχνά οι στόχοι για πρωτεΐνες που ονομάζονται παράγοντες μεταγραφής, οι οποίοι μπορούν να συνδεθούν για να ενισχύσουν ή να αναστείλουν την έκφραση γονιδίων. Παραδόξως, ορισμένοι ενισχυτές απέχουν δεκάδες χιλιάδες ζεύγη βάσεων από τα γονίδια που ρυθμίζουν και έρχονται κοντά τους μόνο μέσω της φυσικής αναδιάταξης των βρόχων του DNA σε ένα γεμάτο χρωμόσωμα.

Η ρύθμιση του ευκαρυωτικού γονιδίου τυπικά περιλαμβάνει αυτά τα πολλά διαφορετικά ρυθμιστικά μπλοκ DNA, μαζί με έναν ή περισσότερους μεταγραφικούς παράγοντες και άλλα μόρια, όλα συγκεντρωμένα γύρω από ένα γονίδιο σαν μια επιτροπή που συγκαλείται για να αποφασίσει τι πρέπει να κάνει. Συγκεντρώνονται σε μια χαλαρή, πυκνή συστάδα.

Συχνά, οι μοριακοί συμμετέχοντες επίσης δεν φαίνεται να αλληλεπιδρούν μέσω των εξαιρετικά επιλεκτικών ζευγών «κλειδώματος και κλειδιού» που είναι κοινά στη μοριακή βιολογία. Αντίθετα, είναι πολύ λιγότερο επιλεκτικοί, αλληλεπιδρούν μάλλον αδύναμα και μη επιλεκτικά, σαν να περιφέρονται και να κάνουν σύντομες συνομιλίες μεταξύ τους.

Στην πραγματικότητα, ο τρόπος με τον οποίο οι παράγοντες μεταγραφής συνδέονται με το DNA των ευκαρυωτών ήταν κάτι σαν μυστήριο. Θεωρήθηκε από καιρό ότι κάποιο μέρος ενός παράγοντα μεταγραφής πρέπει να ταιριάζει στενά με μια δεσμευτική ακολουθία «μοτίβου» στο DNA, όπως τα κομμάτια ενός παζλ. Όμως, αν και ορισμένα τέτοια μοτίβα έχουν εντοπιστεί, η παρουσία τους δεν συσχετίζεται πάντα πολύ καλά με το πού οι επιστήμονες βρίσκουν μεταγραφικούς παράγοντες που κολλάνε στο DNA στα κύτταρα. Μερικές φορές οι μεταγραφικοί παράγοντες παραμένουν σε περιοχές χωρίς μοτίβα, ενώ ορισμένα μοτίβα που φαίνονται σαν να πρέπει να δεσμεύουν έντονα τους μεταγραφικούς παράγοντες παραμένουν κενά.

«Παραδοσιακά στη γονιδιωματική, ο στόχος ήταν να ταξινομηθούν οι γονιδιωματικές τοποθεσίες με [δυαδικό] τρόπο είτε ως «δεσμευμένες» ή «αδέσμευτες»» από παράγοντες μεταγραφής, είπε ο Fordyce. «Αλλά η εικόνα είναι πολύ πιο λεπτή από αυτό». Τα μεμονωμένα μέλη αυτών των γονιδιακών ρυθμιστικών «επιτροπών» δεν φαίνεται να είναι πάντα παρόντα ή να απουσιάζουν από τις συνεδριάσεις τους, αλλά μάλλον έχουν διαφορετικές πιθανότητες να είναι εκεί ή όχι.

Η τάση της γονιδιακής ρύθμισης στους ευκαρυώτες να βασίζεται σε τόσες πολλές διαφορετικές αδύναμες αλληλεπιδράσεις μεταξύ μεγάλων μοριακών συμπλεγμάτων «είναι ένα από τα πράγματα που καθιστά διαβόητα δύσκολο να χειριστούμε θεωρητικά», είπε ο βιοφυσικός. Τόμας Κούλμαν του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια, Ρίβερσαϊντ, ο οποίος έγραψε ένα σχόλιο στο χαρτί του εργαστηρίου Fordyce για Επιστήμη. Είναι ένα βαθύ παζλ πώς, μέσα από αυτή τη φαινομενικά χαοτική διαδικασία, προκύπτουν ακριβείς αποφάσεις για την ενεργοποίηση και απενεργοποίηση των γονιδίων.

Πέρα από τη μυστηριώδη ασαφή λογική αυτής της διαδικασίας απόφασης, υπάρχει επίσης το ερώτημα πώς όλα τα μέλη της επιτροπής βρίσκουν ακόμη και το δρόμο τους προς το σωστό δωμάτιο — και μετά μένουν εκεί. Τα μόρια γενικά κινούνται γύρω από το κύτταρο με διάχυση, επηρεάζονται από όλα τα άλλα γύρω μόρια, όπως το νερό, και περιφέρονται σε τυχαίες κατευθύνσεις. Ίσως περιμένουμε αυτές οι χαλαρές επιτροπές να απομακρυνθούν πολύ γρήγορα για να κάνουν τη ρυθμιστική τους δουλειά.

Αυτό, πιστεύουν η Fordyce και οι συνάδελφοί της, είναι όπου μπαίνουν τα STR. Τα STR είναι εντυπωσιακά κοινά σε θέσεις ενισχυτών στο DNA. Στο έγγραφό τους, οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι τα STRs λειτουργούν ως κολλώδη έμπλαστρα που συγκεντρώνουν μεταγραφικούς παράγοντες και τους εμποδίζουν να απομακρυνθούν.

Βελτιστοποίηση της κολλητικότητας

Η ομάδα του Fordyce ερεύνησε συστηματικά πώς οι διαφορές στην ακολουθία STR επηρεάζουν την προσκόλληση των παραγόντων μεταγραφής σε ένα μοτίβο σύνδεσης. Εξέτασαν δύο παράγοντες - έναν από τη μαγιά, έναν από τον άνθρωπο - που κολλούν σε ένα συγκεκριμένο μοτίβο έξι βάσεων. Οι ερευνητές μέτρησαν τόσο την ισχύ (ή τη συγγένεια) αυτής της δέσμευσης και τον ρυθμό με τον οποίο οι παράγοντες μεταγραφής κολλάνε και ξεκολλούν (κινητική) όταν το μοτίβο πλαισιώνεται από ένα STR αντί για μια τυχαία ακολουθία. Για σύγκριση, εξέτασαν πόσο εύκολα συνδέονται οι παράγοντες με το STR μόνο και με μια εντελώς τυχαία αλληλουχία DNA.

«Μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις αυτού του πεδίου είναι να ξεμπερδέψει κανείς τις μυριάδες μεταβλητές που επηρεάζουν τη δέσμευση [μεταγραφικού παράγοντα] σε μια συγκεκριμένη θέση του γονιδιώματος», είπε. Ντέιβιντ Σούτερ, μοριακός βιολόγος στο Ελβετικό Ομοσπονδιακό Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Λωζάνης στην Ελβετία. Το σχήμα του DNA, η εγγύτητα με άλλα τμήματα DNA και η φυσική τάση στα μόρια του DNA μπορούν να παίξουν ρόλο στη δέσμευση του μεταγραφικού παράγοντα. Οι τιμές αυτών των παραμέτρων πιθανώς διαφέρουν σε κάθε θέση στο γονιδίωμα, και ίσως επίσης μεταξύ τύπων κυττάρων και μέσα σε ένα μόνο κύτταρο με την πάροδο του χρόνου σε μια δεδομένη θέση. "Πρόκειται για έναν τεράστιο χώρο άγνωστων μεταβλητών που είναι πολύ δύσκολο να ποσοτικοποιηθούν", είπε ο Suter.

Γι' αυτό τα καλά ελεγχόμενα πειράματα όπως αυτά της ομάδας του Στάνφορντ είναι τόσο χρήσιμα, πρόσθεσε ο Kuhlman. Συνήθως, όταν οι ερευνητές χρειάζεται να μετρήσουν αδύναμες αλληλεπιδράσεις όπως αυτές, έχουν δύο επιλογές: Μπορούν να κάνουν μερικές πολύ λεπτομερείς, εξαιρετικά ακριβείς μετρήσεις και να γενικεύσουν από αυτές ή μπορούν να κάνουν πολλές γρήγορες και βρώμικες μετρήσεις και να χρησιμοποιήσουν μαθηματικά πολύπλοκες στατιστικές μέθοδοι για την εξαγωγή αποτελεσμάτων. Ωστόσο, η Fordyce και οι συνεργάτες της, είπε ο Kuhlman, χρησιμοποίησαν μια αυτοματοποιημένη, μικρορευστοποιημένη διαδικασία βασισμένη σε τσιπ για να λάβουν ακριβείς μετρήσεις κατά τη διάρκεια πειραμάτων υψηλής απόδοσης «για να πάρουν το καλύτερο και από τους δύο κόσμους».

Η ομάδα του Στάνφορντ διαπίστωσε ότι διαφορετικές αλληλουχίες STR μπορούν να αλλάξουν τις συγγένειες δέσμευσης των παραγόντων μεταγραφής στο DNA έως και κατά 70. Μερικές φορές έχουν μεγαλύτερη επίδραση στη δέσμευση του μεταγραφικού παράγοντα παρά στην αλλαγή της αλληλουχίας του ίδιου του μοτίβου δέσμευσης. Και τα αποτελέσματα ήταν διαφορετικά για τους δύο διαφορετικούς παράγοντες μεταγραφής που εξέτασαν.

Έτσι, τα STR φαίνονται ικανά να ρυθμίζουν με ακρίβεια την ικανότητα των παραγόντων μεταγραφής να προσκολλώνται σε μια θέση DNA και έτσι να ρυθμίζουν ένα γονίδιο. Αλλά πώς ακριβώς;

Μια αίθουσα αναμονής κοντά σε ένα γονίδιο

Οι ερευνητές υπολόγισαν ότι το τμήμα ενός μεταγραφικού παράγοντα που δεσμεύει το DNA μπορεί να αλληλεπιδράσει ασθενώς με ένα STR, με την ακριβή ισχύ αυτής της συγγένειας να εξαρτάται από την αλληλουχία STR. Επειδή μια τέτοια σύνδεση είναι αδύναμη, δεν θα έχει μεγάλη ειδικότητα. Αλλά εάν ένας παράγοντας μεταγραφής συλληφθεί χαλαρά και απελευθερωθεί από ένα STR ξανά και ξανά, το σωρευτικό αποτέλεσμα είναι να διατηρείται ο μεταγραφικός παράγοντας κοντά στο γονίδιο, έτσι ώστε να είναι πιο πιθανό να συνδεθεί με ασφάλεια στην περιοχή του μοτίβου εάν χρειάζεται.

Η Fordyce και οι συνάδελφοί της προέβλεψαν ότι τα STR λειτουργούν ως «λόμπι» ή πηγάδι όπου οι παράγοντες μεταγραφής μπορούν να συγκεντρωθούν, παροδικά, κοντά σε μια θέση ρυθμιστικής δέσμευσης. "Η επαναλαμβανόμενη φύση ενός STR ενισχύει την αδύναμη επίδραση οποιασδήποτε μεμονωμένης θέσης δέσμευσης από την οποία αποτελείται", είπε. Κόνορ Χόρτον, ο πρώτος συγγραφέας της μελέτης, ο οποίος είναι τώρα διδακτορικός φοιτητής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ.

Αντίθετα, πρόσθεσε, ορισμένα STR μπορούν επίσης να δράσουν για να απομακρύνουν τους παράγοντες μεταγραφής από τις ρυθμιστικές ακολουθίες, απορροφώντας τους παράγοντες μεταγραφής αλλού σαν ένα σφουγγάρι. Με αυτόν τον τρόπο, μπορούν να αναστείλουν την έκφραση γονιδίων.

Η εργασία, είπε ο Suter, «δείχνει πειστικά ότι τα STR επηρεάζουν άμεσα τη δέσμευση των παραγόντων μεταγραφής in vitro». Επιπλέον, η ομάδα του Στάνφορντ χρησιμοποίησε έναν αλγόριθμο μηχανικής μάθησης για να δείξει ότι τα αποτελέσματα που παρατηρήθηκαν στα πειράματά τους in vitro φαίνονται επίσης να συμβαίνουν σε ζωντανά κύτταρα (δηλαδή in vivo).

Αλλά Ρόμπερτ Τζιάν, βιοχημικός στο Μπέρκλεϋ και ερευνητής στο Ιατρικό Ινστιτούτο Χάουαρντ Χιουζ, πιστεύει ότι μπορεί να είναι πολύ νωρίς για να είμαστε σίγουροι ποια επίδραση έχει ένας δεδομένος συνδυασμός παραγόντων μεταγραφής STR στην έκφραση γονιδίων σε πραγματικά κύτταρα.

Tjian, Xavier Darzacq και οι συνάδελφοί τους στο εργαστήριο που τρέχουν μαζί στο Μπέρκλεϋ συμφωνούν ότι τα STR φαίνεται να προσφέρουν έναν τρόπο συγκέντρωσης παραγόντων μεταγραφής κοντά σε γονιδιακές ρυθμιστικές τοποθεσίες. Ωστόσο, χωρίς να γνωρίζουμε πόσο κοντά πρέπει να είναι οι παράγοντες για να ενεργοποιηθεί η μεταγραφή, είναι δύσκολο να κατανοήσουμε τη λειτουργική σημασία αυτού του αποτελέσματος. Ο Tjian είπε ότι θα ήθελε να δει εάν η εισαγωγή ενός STR σε ένα ζωντανό κύτταρο επηρεάζει προβλέψιμα την έκφραση ενός γονιδίου στόχου. Προς το παρόν, είπε, «δεν είναι πεπεισμένος ότι τα STR θα είναι απαραίτητα μια σημαντική πτυχή των [ρυθμιστικών] μηχανισμών in vivo».

Μια συνδυαστική γραμματική

Ένα παρατεταμένο παζλ είναι πώς ένας τέτοιος μηχανισμός παρέχει αξιόπιστα τον τύπο της ακριβούς γονιδιακής ρύθμισης που χρειάζονται τα κύτταρα, αφού τόσο η ισχύς όσο και η επιλεκτικότητα της δέσμευσης του μεταγραφικού παράγοντα εντός των πηγαδιών STR είναι αδύναμες. Ο Fordyce πιστεύει ότι αυτή η ειδικότητα επιρροής θα μπορούσε να προέλθει από πολλές πηγές - όχι μόνο από διαφορές στις αλληλουχίες STR αλλά και από συνεργατικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ μεταγραφικών παραγόντων και άλλων πρωτεϊνών που εμπλέκονται στη ρύθμιση.

Δεδομένων όλων αυτών, είπε ο Horton, δεν είναι σαφές ότι θα είναι ξεκάθαρο να προβλεφθεί η επίδραση ενός δεδομένου συνδυασμού παραγόντων μεταγραφής STR στην έκφραση ενός γονιδίου. Η λογική της διαδικασίας είναι πράγματι θολή. Και η «γραμματική» της επιρροής είναι πιθανώς συνδυαστική, πρόσθεσε ο Horton: Το αποτέλεσμα εξαρτάται από διαφορετικούς συνδυασμούς παραγόντων μεταγραφής και άλλων μορίων.

Η ομάδα του Στάνφορντ πιστεύει ότι ίσως το 90% των παραγόντων μεταγραφής είναι ευαίσθητοι στα STR, αλλά ότι υπάρχουν πολύ περισσότεροι τύποι μεταγραφικών παραγόντων στο ανθρώπινο γονιδίωμα από ό,τι υπάρχουν τύποι STR. «Η μετάλλαξη μιας αλληλουχίας STR μπορεί να επηρεάσει τη δέσμευση 20 διαφορετικών μεταγραφικών παραγόντων σε αυτόν τον κυτταρικό τύπο, οδηγώντας σε συνολική μείωση της μεταγραφής αυτού του κοντινού γονιδίου χωρίς να εμπλέκεται κάποιος συγκεκριμένος μεταγραφικός παράγοντας», είπε ο Horton.

Στην πραγματικότητα, η ομάδα του Στάνφορντ συμφωνεί με τον Tjian ότι η γονιδιακή ρύθμιση στα ζωντανά κύτταρα δεν θα καθοδηγείται από έναν και μόνο, απλό μηχανισμό. Αντίθετα, οι μεταγραφικοί παράγοντες, οι θέσεις δέσμευσης του DNA τους και άλλα ρυθμιστικά μόρια μπορεί να συγκεντρωθούν σε πυκνές συγκεντρώσεις που ασκούν την επιρροή τους συλλογικά.

«Υπάρχουν πλέον πολλά παραδείγματα που υποστηρίζουν την ιδέα ότι τα στοιχεία του DNA μπορούν να συνωστίσουν τους παράγοντες μεταγραφής σε σημείο που να σχηματίζουν συμπυκνώματα με συμπαράγοντες», είπε. Ρίτσαρντ Γιανγκ, κυτταρικός βιολόγος στο Ινστιτούτο Whitehead του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης. Οι ενισχυτές δεσμεύουν πολλούς μεταγραφικούς παράγοντες για να δημιουργήσουν αυτόν τον συνωστισμό. Τα STR μπορεί να είναι ένα συστατικό που βοηθά στη συγκέντρωση παραγόντων μεταγραφής για να συγκεντρωθούν κοντά σε ένα γονίδιο, αλλά δεν θα είναι όλη η ιστορία.

Γιατί να ρυθμίζουμε τα γονίδια με αυτόν τον περίπλοκο τρόπο, αντί να βασιζόμαστε στο είδος των ισχυρών και ειδικών αλληλεπιδράσεων μεταξύ ρυθμιστικών πρωτεϊνών και θέσεων DNA που κυριαρχούν στους προκαρυώτες; Είναι πιθανό μια τέτοια ασάφεια να είναι αυτό που έκανε πιθανά μεγάλα πολύπλοκα μεταζωάρια.

Για να είναι βιώσιμα είδη, οι οργανισμοί πρέπει να είναι σε θέση να εξελίσσονται και να προσαρμόζονται στις μεταβαλλόμενες συνθήκες. Εάν τα κύτταρά μας βασίζονταν σε κάποιο τεράστιο αλλά αυστηρά καθορισμένο δίκτυο γονιδιακών ρυθμιστικών αλληλεπιδράσεων, θα ήταν δύσκολο να γίνουν οποιεσδήποτε αλλαγές σε αυτό χωρίς να διαταραχθεί ολόκληρη η κατασκευή, ακριβώς όπως ένα ελβετικό ρολόι θα καταστρέψει εάν αφαιρέσουμε (ή ακόμα και ελαφρώς εκτοπίσουμε) από τους μυριάδες οδοντωτούς τροχούς του. Εάν οι ρυθμιστικές μοριακές αλληλεπιδράσεις είναι χαλαρές και μάλλον αόριστες, ωστόσο, υπάρχει χρήσιμη χαλάρωση στο σύστημα - ακριβώς όπως μια επιτροπή μπορεί γενικά να καταλήξει σε μια καλή απόφαση ακόμα κι αν ένα από τα μέλη της είναι άρρωστο.

Ο Fordyce σημειώνει ότι σε προκαρυώτες όπως τα βακτήρια, μπορεί να είναι σχετικά εύκολο για τους παράγοντες μεταγραφής να βρουν τις θέσεις δέσμευσής τους, επειδή το γονιδίωμα προς αναζήτηση είναι μικρότερο. Αλλά αυτό γίνεται πιο δύσκολο καθώς το γονιδίωμα μεγαλώνει. Στα μεγάλα γονιδιώματα των ευκαρυωτών, «δεν μπορείτε πλέον να ανεχτείτε τον κίνδυνο να κολλήσετε παροδικά σε μια «λάθος» θέση δέσμευσης», είπε ο Fordyce, επειδή αυτό θα έθετε σε κίνδυνο την ικανότητα γρήγορης απόκρισης στις μεταβαλλόμενες περιβαλλοντικές συνθήκες.

Επιπλέον, τα ίδια τα STR είναι εξαιρετικά εξελίξιμα. Η επιμήκυνση ή η βράχυνση της αλληλουχίας τους, ή μια αλλαγή στο μέγεθος και το βάθος του «πηγάδι του παράγοντα μεταγραφής», μπορεί να συμβεί εύκολα μέσω ατυχημάτων στην αντιγραφή ή επιδιόρθωση του DNA ή μέσω του σεξουαλικού ανασυνδυασμού των χρωμοσωμάτων. Στη Fordyce, προτείνει ότι τα STR «μπορεί επομένως να χρησιμεύσουν ως πρώτη ύλη για την εξέλιξη νέων ρυθμιστικών στοιχείων και τη βελτίωση των υφιστάμενων ρυθμιστικών ενοτήτων για ευαίσθητα μεταγραφικά προγράμματα», όπως αυτά που διέπουν την ανάπτυξη ζώων και φυτών.

Η δύναμη των αδύναμων αλληλεπιδράσεων

Τέτοιες σκέψεις οδηγούν τους μοριακούς βιολόγους να δίνουν πολύ μεγαλύτερη προσοχή σε ασθενείς και σχετικά μη επιλεκτικές αλληλεπιδράσεις στο γονιδίωμα. Πολλές από αυτές περιλαμβάνουν πρωτεΐνες που, αντί να έχουν σταθερή και ακριβή δομή, είναι χαλαρές και δισκέτες — «εγγενώς διαταραγμένες», όπως το λένε οι βιοχημικοί. Εάν οι πρωτεΐνες λειτουργούσαν μόνο μέσω άκαμπτων δομικών περιοχών, εξήγησε ο Young, θα περιόριζε όχι μόνο το πόσο καλά θα μπορούσαν να εξελιχθούν τα ρυθμιστικά συστήματα αλλά και τα είδη δυναμικής ρύθμισης που παρατηρούνται στη ζωή. "Δεν θα βρείτε έναν ζωντανό οργανισμό - ή ακόμα και έναν ιό - να λειτουργεί μόνο με σταθερά δομικά στοιχεία όπως αυτά σε ένα ελβετικό ρολόι", είπε ο Young.

Ίσως η εξέλιξη απλώς σκόνταψε στα STR ως συστατικό μιας τόσο περίπλοκης αλλά τελικά πιο αποτελεσματικής λύσης για τη ρύθμιση των γονιδίων στους ευκαρυώτες. Τα ίδια τα STR μπορεί να προκύψουν με διάφορους τρόπους - για παράδειγμα, μέσω σφαλμάτων στην αντιγραφή του DNA ή της δραστηριότητας τμημάτων DNA που ονομάζονται μετατιθέμενα στοιχεία που δημιουργούν αντίγραφα του εαυτού τους σε όλο το γονιδίωμα.

«Έτυχε ότι οι προκύπτουσες αδύναμες αλληλεπιδράσεις μεταξύ των πρωτεϊνών και των επαναλαμβανόμενων αλληλουχιών ήταν κάτι που θα μπορούσε να προσφέρει επιλεκτικό πλεονέκτημα στα κύτταρα όπου εμφανίστηκε», είπε ο Kuhlman. Η εικασία του είναι ότι αυτή η ασάφεια πιθανότατα επιβλήθηκε στους ευκαρυώτες, αλλά ότι «στη συνέχεια μπόρεσαν να την εκμεταλλευτούν για δικό τους όφελος». Τα βακτήρια και άλλα προκαρυωτικά μπορούν να βασίζονται σε μια καλά καθορισμένη «ψηφιακή» ρυθμιστική λογική, επειδή τα κύτταρά τους τείνουν να υπάρχουν μόνο σε λίγες απλές, διακριτές καταστάσεις, όπως η κίνηση και η αναπαραγωγή.

Αλλά οι διαφορετικές κυτταρικές καταστάσεις για τα μεταζωάρια είναι «πολύ πιο περίπλοκες και μερικές φορές κοντά σε ένα συνεχές», είπε ο Suter, επομένως εξυπηρετούνται καλύτερα από πιο ασαφή «αναλογική» ρύθμιση.

«Τα γονιδιακά ρυθμιστικά συστήματα στα βακτήρια και στους ευκαρυώτες φαίνεται να έχουν αποκλίνει αρκετά ουσιαστικά», συμφώνησε ο Tjian. Ενώ ο Monod φέρεται να παρατήρησε κάποτε ότι «για τι ισχύει Ε. coli είναι αλήθεια για τον ελέφαντα», φαίνεται ότι δεν είναι πάντα έτσι.