Ret de regulació gènica

Estructura d'una ret de regulació gènica.

Procés de control d'una ret de regulació gènica.

Una ret de regulació gènica o ret de regulació genètica (GRN) és una colecció de segments d'ADN en una cèlula que interactuen entre sí (indirectament a través de la seua ARN i productes d'expressió de proteïnes) i en atres substàncies en la cèlula, en lo que regulen les taxes a les que els gens de la ret es transcriben en ARNm. En general, cada molècula de ARNm va a construir una proteïna específica (o un conjunt de proteïnes). En alguns casos, esta proteïna serà estructural, i s'acumularà en la paret celular o dins de la cèlula per a donar-li propietats estructurals particulars. En atres casos, la proteïna serà una enzima, una micro-màquina que cataliza una determinada reacció, com el catabolisme d'una font d'aliment o una toxina. Algunes proteïnes, encara que només servixen per a activar atres gens, són els factors de transcripció, que són els principals actors en les rets de regulació o cascades. En unir-se a la regió promotora, ubicada en el començ d'atres gens, els activen, iniciant la producció d'una atra proteïna, i aixina successivament. Alguns factors de transcripció són inhibidors.

En els organismes unicelulars les rets reguladores responen a l'entorn exterior, optimisant la cèlula en un moment donat per a la supervivència en este entorn. Aixina, una cèlula de rent, trobant-se en una solució de sucre, activarà els gens per a fer enzimes que transformen el sucre en alcohol. Este procés, que associem en la vinificación, és com la cèlula de rent «es guanya la vida», guanyant energia per a multiplicar-se, la qual cosa baix circumstàncies normals, milloraria les seues perspectives de supervivència.

En els animals multicelulares el mateix principi s'ha posat al servici de la cascada de gens que controlen la forma del cos. Cada volta que una cèlula es dividix, dos cèlules resulten que, encara que contenen el mateix genoma en la seua totalitat, poden diferir en cuales gens s'activen i produïxen proteïnes. A voltes un 'cicle de realimentación autosostenible' s'assegura de que una cèlula manté la seua identitat i l'hereta. Menys s'entén el mecanisme d'epigenética pel qual la modificació de la cromatina pot proporcionar memòria celular bloquejant o permetent la transcripció. Una característica important dels animals multicelulares és l'us de gradient de morfógeno, els que en efecte proporcionen un sistema de posicionament que li diu a una cèlula a on està en el cos i, per lo tant, en quin tipo de cèlula convertir-se. Un gen que és activat en una cèlula pot fer un producte que ix d'esta i es difon a través de les cèlules adjacents, entrant en elles i activant gens només quan està present per damunt d'un llindar determinat. Estes cèlules són aixina induïdes a un nou destí, i inclús pot generar atres morfógenos que senyalisen a la cèlula original. Sobre llargues distàncies els morfógenos poden utilisar el procés actiu de transducción de senyalés. Tal senyalisació controla l'embriogénesis, la construcció d'un pla corporal des del principi a través d'una série de passos seqüencials. També manté el control dels cossos dels adults a través de processos realimentados, i la pèrdua de tal realimentación com a conseqüència d'una mutació pot ser responsable de la proliferació de cèlules que es veu en el càncer. En paralel en este procés de construcció de l'estructura, la cascada de gens activa els gens que produïxen proteïnes estructurals que donen a cada cèlula les propietats físiques que esta necessita. S'ha sugerit que, degut a que les interaccions moleculars biològiques són intrínsecament estocàstiques, les rets de gens són el resultat dels processos celulars i no la seua causa (és dir, darwinismo celular). No obstant, l'evidència experimental recent ha favorit el punt de vista del atractor dels destins de la cèlula.

Resum

A cert nivell, les cèlules biològiques es pot considerar com "bosses parcialment mesclades" de productes químics biològics —en la discussió de les rets reguladores de gens, estos productes químics són en la seua majoria els ARNm i les proteïnes que sorgixen de l'expressió gènica. Estos ARNm i proteïnes interactuen entre sí en diferents graus d'especificidad. Alguns es difonen per tota la cèlula. Uns atres estan lligats a les membranes celulars, interactuant en les molècules en el mig. I uns atres passen a través de les membranes celulars i medien en les senyals de llarc alcanç per a atres cèlules en un organisme multicelular. Estes molècules i les seues interaccions constituïxen una ret de regulació gènica. Una ret de regulació de gens típica s'assembla alguna cosa a açò:

Els nodos d'esta ret són les proteïnes, els seus corresponents ARNm, i complexos proteïna/proteïna. Els nodos que es mostren com estenent-se a lo llarc de les llínees verticals estan associats en els interfaços celular/mig, mentres que els atres són de lliure flotació i difusibles. Implícits estan els gens, les seqüències de ADN que es transcriben en els ARNm que es traduïxen en proteïnes. Les arestes entre els nodos representen les reaccions moleculars individuals, i les interacciones proteïna/proteïna i proteïna/ARNm a través de les quals els productes d'un gen afecten als d'un atre, encara que la falta d'informació obtinguda experimentalment a sovint implica que algunes reaccions no es modelen en un nivell tan fi de detall. Estes interaccions poden ser inductivas (les puntes de flecha), en un aument en la concentració d'un que conduïx a un aument en la de l'atre, o inhibitòria (els círculs negres), en un aument d'un que provoca una disminució en l'atre. Una série d'arestes indica una cadena de tals dependències, en els cicles corresponent als bucles de realimentación. L'estructura de la ret és una abstracció de la dinàmica química del sistema, que descriu la multiplicitat de formes en que una substància afecta a totes les atres a les que està conectada. En la pràctica, tals GRN es deduïxen de la lliteratura biològica sobre un sistema donat i representen una síntesis dels coneiximents colectius sobre un conjunt de reaccions bioquímiques relacionades.

Els gens poden ser vists com a nodos de la ret, l'entrada de la qual són les proteïnes tals com els factors de transcripció i com a eixida, el nivell de l'expressió gènica. El propi nodo també pot ser vist com una funció que es pot obtindre per mig de la combinació de funcions bàsiques sobre les entrades (en la ret booleana descrita a continuació estes són funcions booleanas, típicament AND, OR i NOT). Estes funcions han segut interpretades com la realisació d'un tipo de processament d'informació dins de la cèlula, lo que determina el comportament celular. Els controladors bàsics dins de les cèlules són les concentracions d'algunes proteïnes, que determinen les coordenades de la cèlula tant espacials (ubicació dins de la cèlula o teixit) com a temporals (cicle celular o fase de desenroll), com una espècie de "memòria celular". Les rets de gens estan sol començant a ser enteses, i és el següent pas per a la biologia intentar deduir les funcions de cada "nodo" gen, per a ajudar a entendre el comportament del sistema en nivells creixents de complexitat, des del gen als nivells de transducción de senyals, cèlules o teixits (vore biologia sistémica).

S'han desenrollat models matemàtics de les GRN per a capturar el comportament del sistema que està sent modelació i, en alguns casos, generar prediccions corresponents en les observacions experimentals. En atres casos, els models han provat que poden fer prediccions originals exactes, que es poden provar experimentalment, lo que sugerix nous enfocaments per a explorar en un experiment que a voltes no seria considerat en el disseny del protocol d'un laboratori experimental. La tècnica de modelació més comuna consistix en l'us d'equacions diferencials ordinàries (EDO) acoplades. Vàries atres tècniques de modelació prometedores s'han utilisat, incloent rets booleanas, rets de Petri, rets bayesianas, models gràfics de Gauss, estocàstic i càlcul de processos (àlgebra de processos). Pel contrari, s'han propost tècniques per a la generació de models de GRN que expliquen millor un conjunt d'observacions de séries de temps.

Modelamiento

Rets booleanas

Artícul principal → Ret booleana.

Stuart Kauffman va ser un dels primers biòlecs en usar la metàfora de les rets booleanas per a modelar les rets de regulació gènica. El següent eixemple ilustra com una ret booleana pot modelar una GRN junt en els seus productes gènics (les eixides) i les substàncies de l'ambient que l'afecten (les entrades).

1. Cada gen, cada entrada i cada eixida es representa en un nodo en un grafo dirigit en el que hi ha una flecha d'un nodo a un atre si i només si existix una relació causal entre els dos nodos.
2. Cada nodo en el gràfic pot estar en un de dos estats: actiu o inactiu.
3. Per a un gen, "actiu" correspon a que el gen s'expressa; per a les entrades i eixides, "actiu" correspon a que la substància està present.
4. El temps és vist com transcorrent en passos discrets. En cada pas, el nou estat d'un nodo és una funció booleana dels estats previs dels nodos en fleches que li apunten.

La validea del model es pot provar comparant els resultats de la simulació en les observacions de séries de temps.