Les scientifiques de Rice University appliquent la théorie neuve pour apprendre comment et pourquoi les cellules différencient

Comment est-ce qu'une cellule souche décide quel circuit à prendre ? D'une certaine manière, il est jusqu'à la sagesse de la foule.

L'ADN dans une cellule souche pluripotent est bombardé avec des ondes des protéines dont reflux et le flux poussent la cellule vers le sang étant, l'os, la peau ou les organes. Une théorie neuve par des scientifiques chez Rice University montre que le voyage des cellules n'est ni un procédé par étages simple ni tout fait au hasard.

Le biologiste théorique Peter Wolynes et le coffre Zhang de boursier post-doctoral se sont mis à produire un outil mathématique pour analyser de grands, réalistes réseaux de gène. Comme amélioration, leur étude d'ouvert-accès à être cette semaine publiée par les démarches de l'académie nationale des sciences les a aidées à comprendre que le procédé par lequel les cellules souche différencient est un problème de beaucoup-fuselage.

le « Beaucoup-fuselage » se réfère aux systèmes matériels qui concernent des interactions entre un grand nombre de particules. Les scientifiques supposent que ces beaucoup de fuselages conspirent à avoir un fonctionnement dans chaque système, mais le « problème » figure à l'extérieur au juste ce qu'est ce fonctionnement. Dans les travaux récents, ces fuselages consistent non seulement en milliers de protéines exprimées par les cellules souche embryonnaires mais également les accepteurs d'ADN qui mènent aux boucles de contre-réaction et à d'autres « attractors » qui incitent la cellule à déménager d'une équilibrée au prochain jusqu'à ce qu'il atteigne une configuration finale.

Pour vérifier leur outil, les chercheurs regardés les rôles de huit protéines principales et comment ils se lèvent et tombent en nombre, grippent et défont à l'ADN et dégradent pendant la différenciation de cellule souche. Bien que les interactions puissent toujours ne pas suivre un circuit précis, leur configuration générale mène inévitablement à l'effet désiré pour la même raison qu'une boucle des acides aminés se pliera inévitablement dans la protéine correcte : parce que l'horizontal dicte qu'il soit ainsi.

Wolynes appelé les travaux récents « a stylisé, » modèle simplifié censé pour donner une synthèse générale mais précise de la façon dont les réseaux de cellules fonctionnent. Il a basé sur une théorie qu'il a formée en 2003 avec Masaki Sasai d'université de Nagoya mais tient compte maintenant du fait que pas un mais beaucoup de gènes peut être responsables même d'une décision unique dans un processus cellulaire.

« Est ce ce qui le coffre figuré à l'extérieur, celui-là pourrait généraliser nos 2003 que le modèle à être beaucoup plus réaliste au sujet comment plusieurs différentes protéines grippent à l'ADN afin de le tourner mise en marche/arrêt, » de Wolynes a indiqués.

Une approche théorique rigoureuse pour déterminer les voies et les régimes de passage entre les états d'équilibre était également importante, Zhang a dit. « C'est essentiel pour comprendre le mécanisme comment la différenciation de cellule souche se produit, » de lui a dit.

Wolynes a dit que parce que la cellule souche est stochastique - c.-à-d., son destin n'est pas prédéterminé -- « nous avons dû demander pourquoi un gène ne renverse pas continuellement fait au hasard d'une condition à une autre condition. Cet article décrit pour la première fois comment nous pouvons, pour un circuit assez compliqué, figurer à l'extérieur là sommes seulement certaines périodes lesoù le basculement peut se produire, suivant une voie bien définie de passage. »

Dans des versions précédentes des réseaux de gène, « au lieu de se concentrer sur des protéines gripper réellement à l'ADN, ils disent juste, « bien, il y a un certain haut niveau de cette protéine ou à basse altitude de cette protéine, «  » Wolynes a dit. « Au début, il semble plus facile étudier cela parce que vous pouvez mesurer combien de protéine vous avez. Mais vous ne savez pas toujours s'il est lié. Il est apparu de plus en plus clairement que le régime de la protéine grippant à l'ADN joue un rôle majeur dans l'expression du gène, en particulier dans les systèmes eucaryotiques. »

La notion que les effets de beaucoup-fuselage ont même existé en cellules a commencé en 1942 quand le scientifique britannique C.H. Waddington a déterminé l'idée d'un horizontal épigénétique pour des cellules souche comme voie de décrire pourquoi des cellules pluripotent dans les embryons sont destinées pour se transformer en os, muscle et toutes les autres parties du fuselage - mais ne revenez pas. Waddington comparé les circuits des cellules aux marbres roulant au bas d'une vallée.

Ce concept a sonné vrai à Wolynes. Sa théorie d'horizontal d'énergie est devenue principale au repliement des protéines de compréhension, bien que cette théorie voie l'horizontal comme entonnoir plutôt qu'une vallée. « Waddington a dit que comme une cellule se développe en embryon et au-delà, ce devient beaucoup de différents genres de cellules, » Wolynes a dit. « Ces cellules pourraient être branchées hors circuit et différencier davantage, mais elles ne retournent pas type à la condition originelle et ne commencent pas plus de.

« Son analogie - l'idée de la chute vers le bas par une vallée - donnée un coup de pied autour pendant longtemps, mais lui était dur pour la rendre mathématiquement précise. Dans son temps, ils n'ont pas su l'ADN, » Wolynes a dit.

Dans l'énergie et des horizontaux épigénétiques, Wolynes a dit, l'équilibré au bas est un attractor. « Il signifie partout où vous commencez à partir de, vous finissez attiré à ce même lieu, » il a dit. « Dans les réseaux génétiques, choses comme les configurations de façon constante de oscillation peuvent également être considérés des attractors. »

Une fois que les biologistes commençaient à comprendre les contacts génétiques dans l'ADN, l'illustration entière est devenue plus compliquée, il a dit. « L'horizontal maintenant doit comporter les parties actives d'ADN qui essayent de décider si allumer ce gène ou hors dont gène. Pendant les années 50, nous avons appris comment les gènes ont pris des décisions sur la base de leur production des protéines. Ces protéines agissent alors de retour sur les mêmes gènes dans un genre de boucle de contre-réaction. »

Les boucles permettent à des gènes de rester actifs pour bien plus long qu'il prendrait une protéine simplement pour gripper ou défaire à une partie d'ADN. Dans les équations des chercheurs, les boucles deviennent des attractors qui aident à régler la transformation de la cellule et peuvent être tracés sur l'horizontal de beaucoup-fuselage.

Analyser la dynamique accouplée de toutes ces réactions chimiques dans une cellule pourrait être fait par la force brutale, dit-il, mais le coût de calcul serait énorme. Ainsi l'équipe de riz a décidé d'adopter une approche de grand-illustration basée sur les premiers travaux de Wolynes. Elle s'est ainsi produite que les modèles théoriques donnants droit des cellules souche embryonnaires se sont assortis bien avec ce que les experimentalists avaient vu dans leurs études.

Par exemple, les modèles ont expliqué les variations que les experimentalists avaient observées dans l'expression d'un régulateur principal, un nanog appelé de protéine, et son rôle majeur en mettant à jour le pluripotency des cellules. Les cellules souche déménagent d'une équilibrée au prochain sur leurs voyages ; dans leurs calculs, ils ont trouvé beaucoup de plus haut niveau de l'expression du gène de nanog dans ce qui elles SC1 appelé, la cellule souche fondamentale, que dans SC2, une cellule souche qui avait déménagé au deuxième équilibré. Ceci a apparié quelles expériences avaient mesuré, les chercheurs a dit.

« C'est toujours juste un début, » Wolynes a dit. « Nous regardons les cellules souche embryonnaires maintenant, mais un jour nous voulons traiter le programme de développement complet des organismes avec des centaines de gènes. Nous pouvons voir comment ces les mathématiques peuvent écailler jusqu'à ce régime. »