Клетки быстро отвечают на внеклеточные сигналы регуляцией экспрессии генов мишеней. Это достигается модификацией транскрипционных факторов, которые транслоцируются в ядро и активируют экспрессию множества нижестоящих генов. Биохимия и воспроизведение образов фиксированных клеток показали, что транскрипционные факторы транслоцируются в ядро градированным образом. Используя замедленную микроскопическую съемку живых индивидуальных клеток, Elowitz с коллегами установили, что клетки используют более динамичный механизм регуляции генов мишеней.

Чтобы исследовать как сигналы кодируются динамически в активности транскрипционных факторов и как достигается координация белков в индивидуальных клетках. авт. исследовали путь реакции на кальциевые стрессы у Saccharomyces cerevisiae. У дрожжей клеточные реакции на внеклеточный кальций обеспечиваются с помощью Crz1, calcineurin-responsive zinc-finger транскрипционного фактора. Активность Crz1 модулируется с помощью фосфорилирования и дефосфорилирования; при добавлении кальция, Crz1 дефосфорилируется и транслоцируется в ядро. в

Чтобы понять, как динамика фосфорилирования Crz1 реагирует на кальций и регулирует более 100 различных генов мишеней, которые необходимы для адаптации к кальцию, Elowitz с коллегами использовали замедленную микроскопию динамики локализации green fluorescent protein (GFP)-Crz1. После добавления кальция индивидуальные клетки обнаруживали быстрый, синхронизированный взрыв ядерной локализации Crz1. Этот инициальный взрыв сопровождался спорадическими не синхронизованными взрывами локализаций (обычно длящимися 2 мин.). Частота - но не продолжительность или амплитуда - этих взрывов позитивно коррелировали с концентрацией кальция. Т.о., клетки используют модуляцию частот для своей регуляции активностей транскрипционных факторов.

Каково функциональное значение этой частотой регулируемой модуляции взрывов локализации Crz1, предоставляемых для регуляции нижестоящих генов? Базируясь на компьютерном моделировании, авт. показали, что частотная модуляция регуляции взрывов позволяет транскрипционным факторам модулировать экспрессию множественных генов мишеней сочетанно на всю ширину, динамические ранги уровней экспрессии и независимо от характеристик промоторов; эта теория была подтверждена экспериментально с естественными и синтетическими Crz1--промоторами-мишенями.

Чтобы исследовать всеобщность взрывов локализации, авт. исследовали др. белок дрожжей, чувствительный к стрессам транскрипционный фактор Msn2. Они показали, что Msn2 обладает сходными, но в основном не скоррелированными, взрывами локализаций в условиях кальциевого стресса. Авт. предполагают, что частотой модулируемая регуляция взрывов локализации может представлять собой генеральный принцип, с помощью которого клетки координируют мультигенные ответы на внешние сигналы.