Gli scienziati di Rice University applicano la nuova teoria per imparare come e perché le celle si differenziano

Come una cellula staminale decide che percorso da catturare? In un modo, spetta alla saggezza della folla.

Il DNA in una cellula staminale pluripotent è bombardato con le onde delle proteine di cui riflusso ed il flusso tocca col gomito la cella verso sangue diventante, disossa, interfaccia o organi. Una nuova teoria dagli scienziati alla Rice University mostra che il viaggio delle cellule è nè un trattamento graduale semplice nè tutto il casuale.

Il biologo teorico Peter Wolynes ed il recipiente Zhang del collega postdottorale hanno precisato per creare uno strumento matematico per analizzare le grandi, reti realistiche del gene. Come premio, il loro studio di aperto Access da pubblicare questa settimana tramite gli atti dell'Accademia nazionale delle scienze li ha aiutati a capire che il trattamento tramite cui le cellule staminali si differenziano fosse un problema degli N corpi.

“l'Molto-organismo„ si riferisce ai sistemi fisici che comprendono le interazioni fra tantissime particelle. Gli scienziati presuppongono che questi molti organismi cospirano avere una funzione in ogni sistema, ma “il problema„ sta capendo appena che cosa quella funzione è. Nel lavoro recente, questi organismi consistono non solo da migliaia di proteine espresse dalle cellule staminali embrionali ma anche dalle sedi del legame del DNA che piombo ai cicli di feedback e ad altri “attrattori„ che spingono la cella a muoversi da uno stato di stabilità verso il seguente finché non raggiunga una configurazione definitiva.

per collaudare il loro strumento, i ricercatori esaminati i ruoli di otto proteine chiave e come aumentano e cadono di numero, legano e sciolgono a DNA e si degradano durante la differenziazione di cellula staminale. Sebbene le interazioni non possano seguire sempre un percorso preciso, il loro reticolo generale piombo inevitabilmente al risultato voluto per la stessa ragione che un filo degli amminoacidi profilatura inevitabilmente nella proteina adeguata: perché il paesaggio detta che è così.

Wolynes ha chiamato il lavoro recente “ha stilizzato,„ modello semplificato destinato per fare una generalità generale ma accurata di come le reti delle cellule funzionano. Ha in base ad una teoria che si è formato nel 2003 con Masaki Sasai dell'università di Nagoya ma ora che considera il fatto che non uno ma molti geni può essere responsabili anche di singola decisione in un trattamento cellulare.

“Questo è che cosa il recipiente capito, quell'potrebbe generalizzare i nostri 2003 che modello da essere molto più realistico circa come varie proteine legano a DNA per girarla inserita/disinserita,„ Wolynes ha detto.

Un approccio teorico rigoroso per determinare le vie e le tariffe di transizione fra gli stati di stabilità era egualmente importante, Zhang ha detto. “Questo è cruciale per la comprensione del meccanismo come la differenziazione di cellula staminale accade,„ del lui ha detto.

Wolynes ha detto che perché la cellula staminale è stocastica - cioè, il suo destino non è predeterminato -- “abbiamo dovuto chiedere perché un gene non lancia costantemente a caso da uno stato ad un altro stato. Questo articolo per la prima volta descrive come possiamo, per un circuito abbastanza complicato, capire là siamo soltanto determinati periodi durante cui lanciare può accadere, seguenti una via ben definita di transizione.„

Nei modelli precedenti delle reti del gene, “invece di messa a fuoco sulle proteine realmente legare al DNA, dicono appena, “bene, c'è un determinato ad alto livello di questa proteina o a basso livello di quella proteina, “„ Wolynes ha detto. “Inizialmente, quello sonda più facile da studiare perché potete misurare quanta proteina avete. Ma non non sapere sempre se è limitato. È stato sempre più evidente che la tariffa di proteina che lega al DNA svolge un ruolo importante nell'espressione genica, specialmente nei sistemi eucariotici.„

La nozione che gli effetti dell'molto-organismo anche sono esistito in celle ha cominciato nel 1942 quando lo scienziato britannico C.H. Waddington ha stabilito l'idea di un paesaggio epigenetico per le cellule staminali come modo descrivere perché le celle pluripotent in embrioni sono destinate per trasformarsi nell'osso, muscolo e tutte le altre parti del corpo - ma non giri indietro. Waddington ha confrontato i percorsi delle cellule ai marmi che laminano al fondo di una valle.

Quel concetto ha suonato vero a Wolynes. La sua teoria del paesaggio di energia è diventato chiave a folding proteico di comprensione, sebbene quella teoria vedesse il paesaggio come imbuto piuttosto che una valle. “Waddington ha detto che come una cella si sviluppa in un embrione e di là, si trasforma in in molti generi differenti di celle,„ Wolynes ha detto. “Quelle celle potrebbero diramarsi e differenziarsi più ulteriormente, ma non ritornano tipicamente a stato originale e non rincominciano.

“La sua analogia - l'idea di caduta attraverso una valle - stata nel mondo dei vivi a lungo, ma era duri da renderla matematicamente precisa. Nel suo tempo, non hanno saputo circa DNA,„ Wolynes ha detto.

Sia nell'energia che nei paesaggi epigenetici, Wolynes ha detto, lo stato di stabilità al fondo è un attrattore. “Significa dovunque cominciate da, finite attirato verso quello stesso luogo,„ ha detto. “Nelle reti genetiche, cose come i reticoli costantemente d'oscillazione possono anche essere considerati gli attrattori.„

Una volta che i biologi cominciassero a capire le opzioni genetiche in DNA, l'intera maschera è diventato più complicata, ha detto. “Il paesaggio ora deve incorporare le parti attive di DNA che stanno provando a decidere da se accendere questo gene o da cui gene fuori. Negli anni 50, abbiamo imparato come i geni hanno preso le decisioni in base alla loro produzione delle proteine. Queste proteine poi agiscono indietro sugli stessi geni in un genere di ciclo di feedback.„

I cicli permettono che i geni rimangano attivi per ben più lungo di catturerebbe semplicemente una proteina per legare o sciogliere ad una sezione di DNA. Nelle equazioni dei ricercatori, i cicli si trasformano in in attrattori che contribuiscono a regolamentare la trasformazione della cella e possono essere mappati sul paesaggio dell'molto-organismo.

Analizzare la dinamica coppia di tutte queste reazioni chimiche in una cella potrebbe essere fatto dalla forza bruta, disse, ma il costo di calcolo sarebbe enorme. Così il gruppo del riso ha deciso di adottare un approccio della grande maschera basato sul lavoro più in anticipo di Wolynes. Così è accaduto che i modelli teorici risultanti delle cellule staminali embrionali abbinassero piacevolmente con cui i experimentalists avevano veduto nei loro studi.

Per esempio, i modelli hanno spiegato le fluttuazioni che i experimentalists avevano osservato nell'espressione di un regolatore matrice, una proteina chiamata nanog ed il suo ruolo importante nel mantenimento del pluripotency delle cellule. Le cellule staminali si muovono da uno stato di stabilità verso il seguente sui loro viaggi; nei loro calcoli, hanno trovato un molto di più alto livello di espressione genica del nanog in cui hanno chiamato SC1, la cellula staminale di base, che in SC2, una cellula staminale che si era mossa verso il secondo stato di stabilità. Ciò ha abbinato che esperimenti avevano misurato, i ricercatori ha detto.

“Questo è ancora appena un inizio,„ Wolynes ha detto. “Ora stiamo esaminando le cellule staminali embrionali, ma qualche giorno vorremo trattare il programma inerente allo sviluppo completo degli organismi con le centinaia di geni. Possiamo vedere come questo la matematica può sottoporre a operazioni di disgaggio fino a quel regime.„