Kann die Molekulargenetik aus einer kontinuierlichen Variablen eine boolesche Variable machen?

In der gleichen Art von Idee wie diese Frage . Die Genexpression wird durch komplexe Wechselwirkungen reguliert. Die Konzentration von Enhancern und Repressoren ist ein wichtiger Aspekt, der das Expressionsniveau eines gegebenen Gens bestimmt. Diese Konzentrationen können auf einer kontinuierlichen Skala unterschiedliche Werte annehmen.

Stellen Sie sich einen Fall vor, in dem die Fitness maximiert wird, wenn ein bestimmtes Gen nProteine ​​​​pro Minute produziert, wenn die Konzentration eines bestimmten Proteins größer als ist x. Wenn die Konzentration des Proteins niedriger als sein xsollte, sollte das Gen nicht exprimiert werden (es werden 0 Proteine ​​pro Minute produziert). In einem solchen Fall wäre es großartig, wenn ein Bündel von Reaktanten in der Lage wäre, eine „Schaltfunktion“ zu simulieren, die von „NO EXPRESSION“ auf „EXPRESSION“ bei umschalten würde x.

Es scheint mir, dass eine solche Schalterfunktion sehr kompliziert zu entwickeln sein sollte. Ich würde vermuten, dass alle chemischen Reaktionen, einschließlich der Bindung des Enhancers an die Promotorregion, dem Gesetz von Michaelis-Menten folgen sollten und die Michaelis-Menten-Funktion überhaupt keine Schalterfunktion ist. Also habe ich über eine kooperative Bindung nachgedacht. Die Hill-Gleichung beschreibt eine Funktion, die effektiv eine Schaltfunktion ist, vorausgesetzt, dass der Hill-Koeffizient hoch genug ist. Wenn Sie jedoch ein wenig in der Literatur suchen, scheint es, dass der Hill-Koeffizient nie wirklich 3 überschreitet (oder 5 für extreme Schätzungen). Ein Hill-Koeffizient innerhalb dieses Bereichs ergibt eine logistische Funktion, sieht aber immer noch ziemlich suboptimal aus im Vergleich zu dem, was eine perfekte Schaltfunktion leisten könnte.

Gibt es Schaltfunktionen in der Molekulargenetik, die eine Konzentration in ein WAHR/FALSCH-Signal übersetzen könnten? Wie gut simulieren sie die perfekte Schalterfunktion? Basieren sie auf kooperativer Bindung oder auf einem anderen Mechanismus?

Referenzen zur Schätzung der Hill-Koeffizienten:

Antworten (2)

Positive Rückmeldungen können eine Alternative sein. Mitkopplungen weisen eine Bistabilität auf und können daher je nach Ausgangszustand einen der beiden stabilen Zustände annehmen. Ein berühmtes Beispiel für einen positiven Rückkopplungsschalter wäre der zwischen cI und Cro in λ -Phagen, die sich gegenseitig unterdrücken. Positive Rückkopplungen weisen auch eine Hysterese auf: Wenn der Zustand des Systems von einem induzierenden Liganden abhängt, Xso dass das System einen Zustand S2bei hohen Konzentrationen des Liganden erreicht, müsste zum Umschalten von S2auf S1die Konzentration von unter das Niveau reduziert werden, das für erforderlich war Xder S1Schalter S2; und umgekehrt. Mit anderen Worten, das System versucht, in seinem aktuellen Zustand zu bleiben.

Wenn die Transkriptionsfaktoren, die das genetische positive Feedback ausmachen, ein kooperatives Verhalten zeigen, ist mit einer steilen Schaltkurve zu rechnen.

Einzelheiten finden Sie in dieser Bewertung.

Transkriptionsinterferenz kann auch ein guter Mechanismus sein, um solche Schalter bereitzustellen. Transkriptionsinterferenzen treten zwischen Genen in enger Nachbarschaft zueinander auf. Dies ist im Wesentlichen, wie der Begriff andeutet, dass die benachbarten Gene die Transkription des anderen stören können (durch überlappende Promotoren, die die Transkriptionsinitiation blockieren, Kollision der Transkriptionsmaschinerie an 3'-Enden usw.). In diesem Artikel wird all dies zusammen mit einem theoretischen Modell namens Transcription Interference Network gut erklärt.

Ein in der Frage erwähnter Schalter kann also durch diesen Mechanismus durchgeführt werden. Nehmen wir zwei Gene (A und B), die dieses Transkriptionsinterferenzphänomen aufweisen. Stellen wir uns auch eine Genorientierung vor, bei der sich die zwei Gene mit ihren 3'-Enden gegenüberstehen, wie im Bild unten (Teil B3, aber mit geringerer Überlappung an den 3'-Enden). Der Aufbau ist, dass Gen A "stärker" ist als Gen B (hat eine höhere Transkriptionsinitiationsrate), daher kann es an den 3'-Prime-Enden das Gen unterdrücken, indem es die Polymerase abschaltet (es gibt viele mögliche Szenarien, wenn zwei RNAPs kollidieren oder Treffen Sie einen, der den anderen abschlägt, ist nur einer von ihnen). Wenn nun die Aktivität von Gen A verringert würde, könnte Gen B Gen A übernehmen und mit dem gleichen Mechanismus, der zuvor gesehen wurde, zunichte machen. In diesem Fall würde die Transkriptionsinitiierung immer noch auf Gen A erfolgen, aber es könnte keine lebensfähige RNA produzieren, da die Transkription früh enden würde. Dies führt zu einem vollständigen Abschalten der Expression von Gen A.

antiparallele Überlappungen

(Quelle des verlinkten Artikels oben)

Da die Genexpression und -transkription „undicht“ sind, eine minimale Aktivität im Grunde immer vorhanden ist, kann der oben erwähnte Mechanismus berücksichtigt werden. In dem von mir verlinkten Artikel gibt es viele andere Beispiele, wie eine solche Umschaltung durch Transkriptionsinterferenz durchgeführt werden könnte. Ich habe nur eines davon genommen. Außerdem werden Sie feststellen, dass das Transcription Interference Network-Modell auf solchen Schaltern basiert.

Kann die Molekulargenetik aus einer kontinuierlichen Variablen eine boolesche Variable machen?
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