Johns Hopkins Biologen haben entdeckt, dass bei der biologischen Signale HIT-Zellen in rhythmischen Wellen , kann die Größe der Reaktion der Zellen auf die Anzahl von Signalzyklenabhängig - nicht ihre Stärke oder Dauer . Da solche sogenannten " oszillierende Signalzyklen" sind in vielen biologischen Systemen üblich , die Wissenschaftler erwarten, dass ihre Ergebnisse in einzellige Organismen , um zu erklären , die molekularen Mechanismen von Phänomenen wie Gewebe- und Organbildung und Grundformen des Lernens.
In einem Bericht in der Zeitschrift Science online veröffentlicht werden , sagen die Forscher ihre Experimente in Amöben zeigen, wie wiederholt Impulse eines Signals führen kurze Ausbrüche von bestimmten Gen-Aktivität , die Produkte , die zum Verweilen und bauen mit jeder neuen Puls . Die Gesamtsumme dieser Genprodukte letztlich auf Veränderungen der Zell Schicksal .
" Der Mechanismus, den wir hier entdeckt, zeigt, wie eine einzelne Zelle können verfolgen , wie oft er ein Signal empfangen hat, zu halten ", sagt Peter Devreotes , Ph.D., Professor und Direktor der Abteilung für Zellbiologie . "In den meisten Signalsysteme , die zelluläre Antwort hängt von der Stärke und Dauer des Signals. Dieses System ermöglicht es den Zellen zu zählen. "
Die Devreotes Team sagt, dass sie herausgefunden, dieses Signalsystems in der Amöbe Dictyostelium discoideum , einem einzelligen Organismus, der Cluster kann einen mehrzelligen Struktur, die es überleben, wenn die Mittel knapp sind, hilft zu bilden. Das Herzstück dieses Prozesses , sagen sie, ist ein Kommunikations Molekül namens cAMP , ein chemisches von hungernden Zellen in regelmäßigen Schüben veröffentlicht - alle sechs Minuten - das wird von anderen Zellen in der Nähe spürte . Das Signal löst eine Folge von Schritten für die Zellen erforderlich sind, um innerhalb der Gruppe makeup zusammen verbinden und bilden spezialisierten Zelltypen .
Devreotes sagt: " Wir haben seit den 1970er Jahren , die die cAMP -Signale erreichen ihre beste Wirkung bekannt , wenn sie alle sechs Minuten gelangen - nicht mehr und nicht weniger - . Aber wir hatten keine Ahnung, warum "
Um das herauszufinden, konzentrierte sich der Johns Hopkins -Team auf das Verhalten eines regulatorischen Proteins namens AGBs , die ähnlich wie die menschliche GATA Gene bekannt, Stammzellen Schicksal in vielen Geweben zu steuern. Amöben , die fehlen GTAC nicht die Gene, die zunächst ähnliche Zellen ermöglichen, Cluster und für die spezialisierten Zelltypen des vielzelligen Struktur zu aktivieren .
Wenn die Forscher befestigt GTAC ein Protein, das grün leuchtet , sah sie, dass es in die Amöbe Zellkern , links in den Zellkern und trat dann wieder in einem Tempo, wie die Sechs-Minuten- Impulse von cAMP . Wenn die Forscher gaben den Zellen eine kontinuierliche Versorgung mit cAMP , würde GTAC den Kern nach einer kurzen Verzögerung zu verlassen und bleiben außerhalb von ihr so lange wie cAMP vorlag. Wenn sie cAMP entfernt GTAC würde wieder in den Zellkern.
Die Forscher dann entwickelt AGBs zu bleiben im Kern und fanden heraus, dass die Zellen begannen , zusammen zu kommen und sind spezialisiert vorzeitig. In Zellen, die cAMP fehlte , fand das Team , dass diese Prozesse nicht einmal mit GTAC eingeschaltet in den Zellkern .
Um die Rolle von GTAC besser zu verstehen, verwendeten die Forscher ein Protein, das leuchten kann , um zu zeigen , wenn GTAC schaltet eines bestimmten Gens . Was sie fanden, war ein anderer Rhythmus , Sechs-Minuten- Aktivitätsmuster : Die leuchtenden Flecken anzeigt Genaktivität in Intensität erreichte etwa alle sechs Minuten und verzögerten etwa drei Minuten hinter dem Spitzenwert von GTAC Akkumulation im Zellkern . Nach Devreotes ist diese dreiminütige Verzögerung wahrscheinlich aufgrund der Zeit, die für das Gen angeschaltet und gesehen werden.
"Es ist wahrscheinlich, dass , wenn GTAC ist im Zellkern , beginnt sie in einem inaktiven Zustand und nur drehen beginnt auf Gene , nachdem die Zelle eine externe cAMP -Signal empfängt . Aber es hat nur eine sehr kurze Zeitfenster , in dem wegen der cAMP -Signal arbeiten nicht nur aktiviert GTAC aber treibt sie auch aus dem Zellkern ", so Cai Huaqing , Ph.D., wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Devreotes Labor und das Prinzip Autor auf dem Papier .
Devreotes erklärt, dass das Ergebnis dieses Systems ist, dass die Gesamtmenge der Genaktivität in jeder Zelle hängt ganz von der Anzahl der Zyklen ist durchgeht , nicht auf die Gesamtmenge von cAMP erhalten oder die Länge der Zeit, die die cAMP ausgesetzt wurde . " Die rhythmische Empfang von cAMP tatsächlich maximiert die Wirksamkeit der Entwicklungsgene ", sagt er . " Es synchronisiert die Entwicklung aller Zellen in der Bevölkerung , wie ein Dirigent den Takt für die Mitglieder eines Orchesters . "
"Dieses System ist ähnlich wie bei den einfachen elektrischen Stromkreisen in Computern, die es ihnen ermöglichen, zu zählen ", sagt Devreotes . "Aber wir denken, dass es anspruchsvoll genug , um komplexere Verhaltensweisen , wie einfache Lernen , die auf wiederholte Stimulation. Schnecken , hängt zum Beispiel lernen , ihr Verhalten zu ändern, wenn ein Reiz wiederholt verabreicht zu erklären sein könnte. Diese Verhaltensänderung dauert mehrere Tage und wurde gezeigt, dass Veränderungen in der Gen -Aktivität in den Nerven der Schnecken einzubeziehen. Kontinuierliche Anwendung des Reizes nicht induziert die Verhaltensänderung , though. so, wie es in der Mechanik , die wir hier finden , die Ein / Aus - wiederholt wieder - Rhythmus des Signals ist entscheidend für die Auslösung der Änderungen in der Genexpression . "
Die Forscher glauben , dass dieses Meldesystem kann auch einige der Zellschicksal Veränderungen, die während der Embryonalentwicklung entstehen erklären.