Jako embriony, wszystkie złożone organizmy są częściowo zbudowane pluripotencjalne komórki macierzyste, termin określający komórki, które mają zdolność różnicowania się w dowolny rodzaj komórek: komórki nerwowe, komórki mięśniowe, komórki krwi, komórki skóry i tym podobne. Jako ostateczne biologiczne „zmiennokształtne” komórki te okazują się kluczem do medycyny regeneracyjnej, opracowywania leków, badań genetycznych i dziedzin pokrewnych.

W pluripotencjalnej komórce macierzystej pewne geny ulegają aktywacji i wyrażają informacje, które ostatecznie decydują o losie komórki. Pierwszy etap tego procesu ekspresji nazywa się transkrypcją i jest to proces niezwykle złożony, po części dlatego, że każda komórka zawiera tysiące genów i tylko część jest wykorzystywana w danym momencie.

Zdaniem Sharon Torigoe, adiunkta biologii i biologa molekularnego, który bada, w jaki sposób kontrolowana jest transkrypcja, powinno to być złożone.

Zaburzenie któregokolwiek z tych procesów nie powinno być łatwe, prawda? Udoskonalali się przez tysiąclecia, aby mieć najbardziej selektywnie korzystny system.

Sharon Torigoe, adiunkt biologii i biolog molekularny

Torigoe bada niewielką część tych skomplikowanych systemów. Jej praca została niedawno wyróżniona przez Narodową Fundację Nauki (NSF) trzyletnim grantem na badania w instytucjach licencjackich (RUI). Dotacja pochodzi z klastra mechanizmów genetycznych programu Molecular and Cellular Biosciences (MCB) NSF, który finansuje wynalazcze pomysły i badania mające na celu rozwiązanie podstawowych pytań dotyczących genetyki, epigenetyki i mechanizmów ekspresji genów. Grant Torigoe wesprze prace, które prowadzi ze studentami studiów licencjackich Lewis & Clark College, mające na celu odblokowanie mechanizmów decydujących o losie komórki pluripotencjalnej. Lepsze zrozumienie tych mechanizmów jest kluczem do uwolnienia potencjału medycyny regeneracyjnej.

Przez cały trzyletni okres stypendialny fundusze NSF wesprą co najmniej siedmiu studentów uczestniczących w letnich stażach badawczych w pełnym wymiarze godzin w ramach Rogers Science Research Program, charakterystycznego letniego programu badawczego w Lewis & Clark College.

Biorąc to gen po genie

Torigoe skupia się szczególnie na zrozumieniu wzmacniaczy. Wzmacniacze to sekwencje genomowe, które służą jako miejsca wiązania białek kontrolujących transkrypcję. Sekwencje te istnieją w pewnej odległości od części genomu, w której zachodzi transkrypcja. Wzmacniacze są jednak ważne, ponieważ zwiększają prawdopodobieństwo wystąpienia transkrypcji określonego genu.

Podczas gdy niektórzy naukowcy poznają zasady ekspresji genów, badając tysiące genów jednocześnie za pomocą uczenia maszynowego, podejście Torigoe polega na badaniu jednego lub dwóch pojedynczych genów na raz.

„Może istnieć wiele zasad decydujących o tym, co sprawia, że ​​wzmacniacz działa w taki sposób, w jaki działa” – mówi Torigoe. „Ta różnorodność wśród wzmacniaczy sprawia, że ​​jest to ekscytujące. Różnorodność sprawia również, że jest to bardzo onieśmielające”.

Torigoe i jej uczniowie do badań wykorzystują embrionalne komórki macierzyste myszy Klf4, wzmacniacz, który ma kluczowe znaczenie dla utrzymania pluripotencji komórki. Uważa się, że gramatyka wzmacniacza lub jego charakterystyka są kluczem do jego funkcji.

Naukowcy badający wzmacniacze nazywają ich właściwości gramatyką, ponieważ według Torigoe miejsca wiązania białek wzmacniacza można przyrównać do poszczególnych słów. Szereg miejsc wiążących jest jak zdanie zbudowane z wielu słów, które połączone razem tworzą znaczenie.

Jedną rzeczą, której szuka Torigoe, jest to, jakie cechy sprawiają, że białko ma powinowactwo do określonej sekwencji wzmacniającej.

„Na przykład, czy białko może «odczytać» miejsce wiązania jako prawidłowe, nawet jeśli są w nim «literówki»?” – pyta. „Do tego dochodzi składnia, czyli kolejność słów. Jeśli podmiot i dopełnienie zostaną zamienione miejscami lub czasownik znajdzie się w innym miejscu, może to zmienić znaczenie zdania, a co za tym idzie, funkcję wzmacniacza”.

Torigoe mówi, że jej uczniowie czasami uważają, że skomplikowany charakter badania gramatyki ze wzmacniaczami jest frustrujący, ponieważ zazwyczaj nie ma prostej odpowiedzi ani wyjaśnienia na ich pytania.

„Różne części gramatyki wzmacniającej wchodzą ze sobą w interakcję, co utrudnia naukę” – mówi. „Kiedy myślimy, że odpowiedzieliśmy na jedno pytanie, zdajemy sobie sprawę, że jest 10 nowych pytań”.

Mimo to Torigoe ma nadzieję poczynić postępy w odblokowaniu mechanizmów rządzących funkcjonowaniem genów wzmacniających, takich jak Klf4a następnie zastosować tę wiedzę do innych genów.

„Muszę zająć się jednym genem” – mówi. „A potem może uda mi się zająć jeszcze kilkoma genami. Wtedy moglibyśmy odkryć, że ta zasada ma zastosowanie do 10 innych genów. Wtedy może istnieć kolejnych 2000 genów, które robią coś innego, więc będziemy mogli je zbadać .”

Dodaje: „Ostatecznie gramatyka wzmacniająca będzie prawdopodobnie skomplikowana, ponieważ biologia jest ostatecznie bardzo skomplikowana.