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Los científicos de Rice University aplican nueva teoría para aprender cómo y porqué las células distinguen

¿Cómo una célula madre decide qué camino a tomar? De una manera, está hasta la sabiduría de la muchedumbre.

La DNA en una célula madre pluripotent se bombardea con las ondas de las proteínas cuyo reflujo y flujo da un [email protected] codazo la célula hacia sangre que se convierte, el hueso, la piel o órganos. Una nueva teoría de los científicos en Rice University muestra que el viaje de la célula es ni un proceso gradual simple ni todo al azar.

El biólogo teórico Peter Wolynes y la casilla Zhang del becario postdoctoral se establecieron para crear una herramienta matemática para analizar redes grandes, realistas del gen. Como premio, su estudio del abierto-acceso que se publicará esta semana por los procedimientos de la National Academy of Sciences les ayudó a entender que el proceso por el cual las células madres distinguen es un problema de la mucho-carrocería.

la “Mucho-carrocería” refiere a los sistemas físicos que implican acciones recíprocas entre un gran número de partículas. Los científicos asumen que estas muchas carrocerías conspiran tener una función en cada sistema, pero el “problema” está imaginando apenas cuáles es esa función. En la nueva obra, estas carrocerías consisten no sólo en los millares de proteínas expresadas por las células madres embrionarias pero también los puntos de enlace de la DNA que llevan a los bucles de retroalimentación y a otros “attractors” que incitan la célula para moverse a partir de la una de estado estacionario al siguiente hasta que alcance una configuración final.

Para probar su herramienta, los investigadores observados el papeles de ocho proteínas dominantes y cómo suben y caen en gran número, atan y desatan a la DNA y degradan durante la diferenciación de célula madre. Aunque las acciones recíprocas pueden no seguir siempre un camino exacto, su configuración general lleva inevitable al resultado deseado por la misma razón que un cabo de aminoácidos doblará inevitable en la proteína apropiada: porque el paisaje dicta que esté tan.

Wolynes llamó la nueva obra “estilizó,” modelo simplificado significado para dar una reseña general pero exacta de cómo funcionan las redes de la célula. Tiene sobre la base de una teoría que él formó en 2003 con Masaki Sasai de la universidad de Nagoya pero ahora que tiene en cuenta el hecho de que no uno sino muchos genes puede ser responsables incluso de una única decisión en un proceso celular.

“Esto es lo que podría generalizar la casilla imaginada, aquélla nuestros 2003 que el modelo a ser mucho más realista sobre cómo varias diversas proteínas atan a la DNA para girarla con./desc.,” Wolynes dijo.

Una aproximación teórica rigurosa para determinar los caminos y los regímenes de la transición entre los estados constantes era también importante, Zhang dijo. “Esto es crucial para entender el mecanismo cómo ocurre la diferenciación de célula madre,” del él dijo.

Wolynes dijo que porque la célula madre es estocástica - es decir, su destino no se predetermina -- “tuvimos que preguntar porqué un gen no mueve de un tirón constante aleatoriamente a partir de un estado a otro estado. Este papel describe por primera vez cómo podemos, para un circuito bastante complicado, figurar ahí fuera somos solamente ciertos períodos durante los cuales el mover de un tirón puede ocurrir, siguiendo un camino bien definido de la transición.”

En modelos anteriores de las redes del gen, “en vez de centrarse en las proteínas real el atar a la DNA, apenas dicen, “bien, es cierto de alto nivel de esta proteína o bajo de esa proteína, “” Wolynes dijo. “Al principio, eso suena más fácil de estudiar porque usted puede medir cuánta proteína usted tiene. Pero usted no sabe siempre si está limitada. Se ha puesto cada vez más de manifiesto que el índice de proteína que ata a la DNA desempeña un papel importante en la expresión génica, determinado en sistemas eucarióticos.”

La noción que los efectos de la mucho-carrocería incluso existieron en células comenzó en 1942 cuando el científico británico C.H. Waddington estableció la idea de un paisaje epigenético para las células madres como manera de describir porqué las células pluripotent en embriones se destinan para girar en el hueso, músculo y el resto de partes de la carrocería - pero no gire detrás. Waddington comparó los caminos de las células a los mármoles que laminaban a la parte inferior de una lima hoya.

Ese concepto cercó verdad a Wolynes. Su teoría del paisaje de la energía ha llegado a ser dominante al plegamiento de proteína de comprensión, aunque esa teoría considere el paisaje como cono bastante que una lima hoya. “Waddington dijo que como una célula se convierte en un embrión y más allá, se convierte en muchas diversas clases de células,” Wolynes dijo. “Esas células pudieron ramificarse lejos y distinguir más lejos, pero no vuelven típicamente al estado original y no comienzan encima.

“Su analogía - la idea de caer hacia abajo a través de una lima hoya - golpeada con el pie alrededor durante mucho tiempo, solamente era duros hacerla matemáticamente exacta. En su tiempo, no sabían sobre la DNA,” Wolynes dijo.

En energía y paisajes epigenéticos, Wolynes dijo, el de estado estacionario en la parte inferior es un attractor. “Significa dondequiera que usted salga de, usted termina hacia arriba atraído a ese mismo lugar,” él dijo. “En las redes genéticas, cosas como configuraciones constantemente oscilantes se pueden también considerar los attractors.”

Una vez que los biólogos comenzaron a entender los interruptores genéticos en la DNA, el retrato entero llegó a ser más complicado, él dijo. “El paisaje ahora tiene que incorporar las partes activas de DNA que están intentando decidir a si girar este gen o de que gen. En los años 50, aprendimos cómo los genes tomaron decisiones en base de su producción de proteínas. Estas proteínas entonces actúan detrás en los mismos genes en una clase de bucle de retroalimentación.”

Los rizos permiten que los genes sigan siendo activos para lejos más largo que tomaría una proteína simple para atar o para desatar a una sección de la DNA. En las ecuaciones de los investigadores, los rizos se convierten en los attractors que ayudan a regular la transformación de la célula y se pueden correlacionar sobre el paisaje de la mucho-carrocería.

Analizar la dinámica acoplada de todas estas reacciones químicas en una célula se podría hacer por la fuerza bruta, él dijo, pero el costo de cómputo sería enorme. Las personas del arroz decidían tan a tomar una aproximación del grande-retrato basada en el trabajo anterior de Wolynes. Suceso tan que los modelos teóricos resultantes de células madres embrionarias igualaron agradable con lo que habían visto los experimentalists en sus estudios.

Por ejemplo, los modelos explicaron las fluctuaciones que los experimentalists habían observado en la expresión de un regulador principal, una proteína llamada nanog, y su papel importante en mantener el pluripotency de una célula. Las células madres se trasladan a partir de la una de estado estacionario al siguiente en sus viajes; en sus cálculos, encontraron un mucho de alto nivel de la expresión génica del nanog en lo que llamaron SC1, la célula madre básica, que en SC2, una célula madre que se había movido al segundo de estado estacionario. El igualó qué experimentos habían medido, los investigadores dijo.

“Esto sigue siendo apenas un principio,” Wolynes dijo. “Ahora estamos observando a las células madres embrionarias, pero queremos algún día tratar el programa de desarrollo completo de organismos con centenares de genes. Podemos ver cómo este las matemáticas pueden escalar hasta ese régimen.”