即便是在一個平靜的、不變的環(huán)境中，細胞也并非是靜態(tài)的。細胞在一系列不可預知的間歇脈沖中激活然后失活一些類型的轉錄因子——這些蛋白控制了基因的表達。自發(fā)現(xiàn)這一脈沖現(xiàn)象以來，科學家們一直都想知道它能為細胞提供什么功能。

現(xiàn)在，加州理工學院的研究人員在一項新研究中證實，脈沖可使得兩種蛋白以一種有節(jié)奏的方式彼此互作讓它們能夠控制基因。具體說來，當轉錄因子同步及非同步表達時，基因表達也會上升和下降。研究人員說，這些激活的節(jié)奏有可能是整個生命界生物體細胞中一些核心過程的基礎。相關研究論文發(fā)布在《自然》（Nature）雜志上。

論文的共同作者、生物學和生物工程系教授、霍華德休斯醫(yī)學研究所研究員Michael Elowitz說：“轉錄因子有節(jié)奏地彼此同步產(chǎn)生脈沖的方式起著重要的作用，使得細胞能夠處理信息、與其他細胞進行通訊及響應壓力。”

領導這一研究的是加州理工學院博士后學者Yihan Lin。其他的論文作者還包括化學副教授蔡龍（Long Cai）；蔡龍實驗室研究員Chang Ho Sohn；及Elowitz的前研究生Chiraj K. Dalal。

蔡龍、Dalal和Elowitz在2008年報告發(fā)現(xiàn)了轉錄因子脈沖的功能作用。與此同時，全球各地的研究人員一直不斷地揭示出在各種細胞和遺傳系統(tǒng)中有相似的蛋白活性起伏。

認識到甚至在不變的條件下，許多不同的因子在同一細胞中發(fā)射脈沖以來，加州理工學院的科學家們開始懷疑細胞是否可以調整這些脈沖的相對時間促成一種新型的基于時間的調控。為了闡明它，研究人員建立了延時攝像在單個酵母細胞中實時追蹤兩個發(fā)射脈沖的蛋白。

研究小組用綠色和紅色熒光蛋白分別標記出了兩個重要的轉錄因子Msn2和Mig1。當轉錄因子激活時，它們會進入到細胞核中，在那里影響基因表達。由于熒光標記集中在小體積的細胞核中，使得它能夠發(fā)出亮綠、亮紅或兩種顏色的光，可以顯影出轉錄因子的易位和激活。熒光標記顏色選擇是有象征意義的：Msn2充當了激活子，Mig1充當了阻抑蛋白。“綠色因子Msn2踩下油門，上調基因表達；而紅色因子Mig1踩下剎車，”Elowitz說。

當科學家們通過加熱或限制食物來給酵母細胞施加壓力時，Msn2和Mig1的脈沖相對于彼此改變它們的計時，它們的脈沖之間有著較高頻或低頻的重疊時期，這取決于應激刺激。

一般來說，當兩個轉錄因子同步發(fā)出脈沖時，阻遏蛋白會阻斷激活子開啟基因的能力。“這有點像一個人在汽車中反復地同時加油及踩剎車踏板，”Elowitz說。

但當它們不合拍，有激活子脈沖而無阻遏蛋白脈沖時，基因表達增加。“當細胞在剎車和加油之間交替變換時，汽車（在這種情況下是轉錄因子Msn2）可以移動，”Elowitz說。因此，這些壓力改變的節(jié)律，使得細胞成功地生成了較多（或較少）的某些蛋白，幫助酵母應對不利的情況。

以往，研究人員認為多種轉錄因子在細胞核中的相對濃度決定了它們?nèi)绾握{控一個共同的靶基因——這種現(xiàn)象稱作為組合調控。但新研究表明，轉錄因子脈沖的相對計時有可能和它們的濃度一樣重要。

蔡龍說：“細胞中的大多數(shù)基因以一種組合方式受到幾個轉錄因子調控，是復雜網(wǎng)絡的組成部分。我們現(xiàn)在看到了一種控制轉錄因子脈沖計時的新調控模式，這對于了解遺傳網(wǎng)絡中的組合調控有可能至關重要。”

Lin 說：“看起來細胞中似乎有一層基于時間的調控，因為只能夠通過單個細胞攝影來觀察到它，很大程度上仍有待探索。我們期待更多地了解這一有趣而遭到忽略的基因調控形式。”

在未來的研究中，科學家們將設法了解這種新發(fā)現(xiàn)的基于時間的調控模式在各種細胞類型中有多普遍，并將探討它與基因調控系統(tǒng)的關系。研究人員還希望在利用和改造生物系統(tǒng)實現(xiàn)人類技術應用的合成生物學背景下，開發(fā)出一些方法來控制這樣的脈沖以編程新細胞行為。