Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk

Instytut Chemii Fizycznej
Polskiej Akademii Nauk
adres:
tel.:
fax/tel.:
email:
WWW:
ul. Kasprzaka 44/52
01-224 Warszawa
+48 22 3432000
+48 22 3433333, 6325276
[email protected]
http://www.ichf.edu.pl/
Warszawa, 15 grudnia 2010
Kopia kopii nierówna – to statystyka różnicuje komórki
Dlaczego sklonowany kot wygląda inaczej niż oryginał? Nową odpowiedź na to
intrygujące pytanie znaleźli naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN w
Warszawie. Dzięki symulacjom komputerowym i obliczeniom teoretycznym odkryli
nowe prawo statystyczne. Wyjaśnia ono najprostszy, a zatem prawdopodobnie
najbardziej rozpowszechniony mechanizm, dzięki któremu w rosnącej populacji
identycznych genetycznie komórek tworzą się grupy wykonujące różne funkcje.
W pewnych warunkach populacja namnażających się komórek może spontanicznie podzielić się
na dwie grupy o wyraźnie różnych funkcjach. Naukowcy od dawna szukają przyczyn tego
spektakularnego procesu, lecz mechanizmy, które dotychczas znajdowali, były skomplikowane i
nie wyjaśniały wszystkich obserwowanych przypadków. Najprostszego wyjaśnienia dostarczyły
dopiero obliczenia analityczne i symulacje komputerowe przeprowadzone przez naukowców z
Instytutu Chemii Fizycznej PAN (IChF PAN) w Warszawie. „Odkryliśmy prawo statystyczne
odpowiedzialne za różnicowanie się komórek” – mówi dr Anna Ochab-Marcinek z IChF PAN. Nowy
mechanizm statystyczny być może pozwoli wytłumaczyć jedno ze źródeł oporności bakterii na
antybiotyki oraz wyjaśni, dlaczego mimo tego samego zestawu genów bliźnięta jednojajowe i
organizmy sklonowane nie są swoimi dokładnymi kopiami. Artykuł opisujący odkrycie ukazał się w
prestiżowym czasopiśmie naukowym „Proceedings of the National Academy of Sciences”,
wydawanym przez amerykańską Akademię Nauk.
Już w połowie ubiegłego wieku podczas badań laboratoryjnych zauważono, że populacja bakterii
Escherichia coli może podzielić się na dwie grupy, z których jedna wykazuje ekspresję pewnego
genu, np. odpowiedzialnego za produkcję enzymu trawiącego określony rodzaj cukru, a w drugiej
gen pozostaje nieczynny. Efekt ten jest znany w nauce jako bimodalność populacji. Obserwacja
była intrygująca, ponieważ wszystkie komórki miały to samo DNA i przebywały w tych samych
warunkach. Co więcej, mimo braku zmian w zestawie genów, kolejne pokolenia komórek potrafiły
dziedziczyć nowe funkcje. Naukowcy z IChF PAN postawili sobie za zadanie odkryć najprostszy
możliwy mechanizm, który odpowiada za tak niespodziewane zachowanie komórek. W tym celu
przeprowadzili obliczenia teoretyczne, a następnie sprawdzili je za pomocą wielu symulacji
komputerowych metodą Monte Carlo. Odwzorowano w nich najważniejsze reakcje chemiczne
zachodzące w żywej komórce.
Informacja genetyczna w komórkach jest zawarta w strukturze DNA, jednak białka są
syntetyzowane na podstawie sekwencji znajdujących się w informacyjnym RNA (mRNA). Aby
wyprodukować zakodowane w genie białko, trzeba więc informację najpierw przenieść z DNA na
mRNA. Proces przenoszenia (transkrypcji) jest kontrolowany przez cząsteczki nazywane
czynnikami transkrypcyjnymi. Cząsteczki te po przyłączeniu do DNA mogą utrudniać odczyt genu
(są wówczas nazywane represorami) lub go umożliwiają (są aktywatorami). „Komórka to worek z
wieloma różnymi cząsteczkami chemicznymi, poruszającymi się przypadkowo wskutek ruchów
cieplnych. Po podziale może się więc zdarzyć, że w jednej komórce potomnej będzie więcej
czynników transkrypcyjnych niż w drugiej” – opisuje dr Anna Ochab-Marcinek z IChF PAN. Za
pomocą symulacji komputerowych badacze analizowali, jak niejednakowa ilość represorów czy
aktywatorów wpływa na populację komórek.
Symulacje komputerowe przeprowadzone w Instytucie Chemii Fizycznej PAN odwzorowywały, jak
w czasie rozwoju populacji zmieniają się stężenia białek produkowanych przez poszczególne
komórki. Ponieważ liczba cząsteczek określonego typu, występujących w danej komórce, jest
stosunkowo mała, podczas podziałów dochodzi do niejednorodnego rozdziału represorów lub
aktywatorów między komórki potomne. W rezultacie w czasie wzrostu populacji pojawiają się
komórki produkujące znacznie więcej danego białka niż pozostałe lub nieprodukujące go wcale.
Zależność pomiędzy tempem produkcji danego białka a ilością represorów lub aktywatorów w
komórce nie jest proporcjonalna. Efekt ten jest zwany nieliniowością, ponieważ wykres
przedstawiający, jak ilość białka zależy od ilości czynników transkrypcyjnych (tzw. funkcja
odpowiedzi) nie jest wówczas linią prostą. Naukowcy z IChF PAN pokazali, że z powodu tej
nieliniowości formują się w populacji dwie wyraźne grupy: w jednej gen jest aktywny, w drugiej nie.
Podział populacji komórek na dwie grupy ma istotne znaczenie ewolucyjne. Zróżnicowanie
zwiększa szansę przeżycia części populacji w przypadku wystąpienia w środowisku zmian
niekorzystnych dla jednej z grup. „Znany jest fakt, że bakterie mutują i robią się bardziej oporne na
leki. My pokazaliśmy najprostszy mechanizm, dzięki któremu sama natura bakterii oraz związane z
nią prawa statystyki zwiększają prawdopodobieństwo przeżycia przynajmniej części populacji,
nawet wtedy, gdy nie ma mutacji ” – mówi dr Ochab-Marcinek.
Naukowcy z IChF PAN zaproponowali także prostą konstrukcję geometryczną, za pomocą której
można przewidzieć, kiedy w danej populacji komórek może dojść do zróżnicowania. Konstrukcja
polega na wykreśleniu prostej przecinającej osie układu współrzędnych w miejscach
odpowiadających zmierzonej częstotliwości impulsów produkcji czynnika transkrypcyjnego w
populacji oraz wielkości tych impulsów. Jeśli prosta przecina – znany z pomiarów laboratoryjnych –
wykres funkcji odpowiedzi genu, populacja komórek zacznie dzielić się na grupy. Za pomocą tak
prostej operacji geometrycznej można łatwo wyjaśnić zaskakujące rezultaty wcześniejszych
eksperymentów prowadzonych przez inne grupy badawcze, na przykład pojawianie się w populacji
bimodalności tylko przy pewnych stężeniach antybiotyku.
„Ponieważ odkryty przez nas mechanizm jest najprostszy z możliwych, przypuszczamy, że w
sposób nieunikniony jest on bardzo powszechny w komórkach” – mówi dr Marcin Tabaka,
współodkrywca zjawiska. „Odkryte przez nas prawo statystyczne opisuje, w jaki sposób losowy
nieporządek panujący we wnętrzu pojedynczych komórek przekształca się w uporządkowanie
prowadzące do różnicowania się populacji, korzystne dla jej przetrwania” – podsumowuje dr
Ochab-Marcinek.
Projekt został realizowany w ramach programu TEAM Fundacji na rzecz Nauki Polskiej
współfinansowanego ze środków Unii Europejskiej – Europejskiego Funduszu Rozwoju
Regionalnego (TEAM/2008-2/2).
Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (http://www.ichf.edu.pl/) został powołany w 1955 roku jako jeden z pierwszych
instytutów chemicznych PAN. Profil naukowy Instytutu jest silnie powiązany z najnowszymi światowymi kierunkami rozwoju chemii
fizycznej i fizyki chemicznej. Badania naukowe są prowadzone w 9 zakładach naukowych. Działający w ramach Instytutu Zakład
Doświadczalny CHEMIPAN wdraża, produkuje i komercjalizuje specjalistyczne związki chemiczne do zastosowań m.in. w rolnictwie
i farmacji. Instytut publikuje około 300 oryginalnych prac badawczych rocznie.
KONTAKTY DO NAUKOWCÓW:
dr Anna Ochab-Marcinek
Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk
tel. +48 22 3433123
email: [email protected]
POWIĄZANE STRONY WWW:
http://www.ichf.edu.pl/
Strona Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk.
http://www.ichf.edu.pl/press/
Serwis prasowy Instytutu Chemii Fizycznej PAN.
PRACE NAUKOWE:
„Bimodal gene expression in noncooperative regulatory systems”; Anna Ochab-Marcinek, Marcin Tabaka; Proceedings of the National
Academy of Sciences of the United States of America; doi: 10.1073/pnas.1008965107
http://www.pnas.org/content/early/2010/11/30/1008965107.abstract
MATERIAŁY GRAFICZNE:
IChF101215b_fot01s.jpg
HR: http://ichf.edu.pl/press/2010/12/IChF101215b_fot01.jpg
Nowe prawo statystyczne odkryte przez naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie opisuje, jak losowy nieporządek we
wnętrzach pojedynczych komórek przekształca się w uporządkowanie różnicujące ich populację. Na zdjęciu współodkrywca zjawiska, dr
Anna Ochab-Marcinek. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)