细胞计算比率以控制基因表达

在多细胞动物中，细胞通过发射和接收蛋白质进行通信，这一过程称为信号传导。最常见的信号传导途径之一是转化生长因子b(Tgf-b)途径，其在所有动物物种的整个生命期中起作用并调节许多生物过程，例如指导细胞如何分化 - 干细胞是否将成为例如，肌细胞或骨细胞。但细胞如何破译这些信号并利用这些信息来指导基因表达呢?根据加州理工学院生物学助理教授Lea Goentoro实验室的最新研究得出的答案：细胞进行简单的分裂。换句话说，他们做数学。

该研究结果发表在4月4日的“美国国家科学院院刊”上的一篇论文中，与先前关于细胞如何解释信号的假设相矛盾。这项工作由生物化学和分子生物物理学研究生克里斯托弗弗里克领导。“Tgf-b途径中的功能障碍与许多类型的癌症有关，这就是为什么研究细胞如何发挥作用，了解细胞如何使用这种途径从环境中获取信息并将其转化为改变的基因表达的原因。，“Goentoro说。“我们发现细胞能够随着时间的推移监测某种蛋白质的丰度，并以某种方式将Tgf-b信号后的丰度除以信号之前的丰度。然后细胞利用该比率相应地调整基因表达。”

细胞对Tgf-b信号的检测触发了一系列分子相互作用，最终导致一种称为Smad3的蛋白质丰度的变化。当细胞遇到Tgf-β信号时，一种信使Smad3在细胞膜上被激活，并最终进入细胞核，在那里它指导基因表达。生物学家通常认为基因表达的改变程度取决于暴露于Tgf-β后产生多少Smad蛋白。

为了研究Smad如何实时响应Tgf-b，研究人员在单个细胞中制作了信号传导过程的电影。他们发现该途径并不像生物学家先前所认为的那样表现。在接触到Tgf-b信号后，研究人员发现，Smad3确实像预期的那样移动到细胞核。令人惊讶的是Smad3的丰度在每个细胞中都有显着差异。然而，尽管Smad3浓度差异很大，但信号后Smad3的水平除以信号前的水平在每个细胞中都是一致的。

这一观察结果使研究人员假设细胞能以某种方式计算出这一比例，并且基因反应与这种相对变化(称为倍数变化)成比例，而不是与Smad3的丰度成正比。

为了测试这一点，研究人员测量了细胞中的靶基因表达，并比较了它与Smad3的丰度以及Smad3的倍数变化的相关性。实际上，他们发现靶基因表达仅取决于Smad3的比例而不取决于细胞Smad3的含量。

“在这项工作之前，试图表征肿瘤特性的研究人员可能会从中获取切片并测量细胞中Smad的总量，”Goentoro说。“我们的研究结果表明，要了解这些细胞，必须测量Smad随时间的变化。”

“这个结果是非直观的：很容易想象细胞如何通过增加Smad3的丰度来增加靶基因的表达，”弗里克说。“因此，我们中的许多人都曾期望Smad3的丰度会根据Tgf-β信号进行调整。相比之下，这些细胞调节的是Smad3丰度变化的比例。现在最大的问题是：如何一个细胞计算这个比例然后相应地调整基因表达吗?“

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