Eine Klimaanlage hat zwei Modi: aus und an. Draußen hat es 40 Grad. Ist die Klimaanlage aus, strömt die warme Luft durch den Raum. Ist sie aber eingeschaltet, feuert sie kalte 15 Grad. Wie lässt sich diese Klimaanlage nun aber so steuern, dass sie den Raum auf gemütlichen 25 Grad hält? Ingenieur:innen haben dafür eine Lösung, nämlich die sogenannte Pulsweitenmodulation. Dabei wechselt die Klimaanlage durch einen Schalter ständig zwischen „ganz an“ und „ganz aus“. Entscheidend ist, wie lange sie jeweils in einem dieser Zustände bleibt – der Durchschnitt macht die gewünschte Temperatur.
Vor einem ähnlichen Problem stehen Zellen, wenn sie ihre Gene regulieren (Genexpression). Ein neuer theoretischer Ansatz von Professor Gašper Tkačik und Postdoc Alexis Bénichou vom Institute of Science and Technology Austria (ISTA), Benjamin Zoller und Thomas Gregor (Institut Pasteur und Princeton University) erklärt, wie dies funktionieren könnte. Dabei wurden die präzisen experimentellen Daten von Zoller und Gregor in diese theoretische Publikation einbezogen.
Zufällig – aber nach Protokoll
„Es gibt viele Modelle, die versuchen, zu erklären, wie Zellen exakt Gene ein- und ausschalten“, erklärt Gašper Tkačik. „Das Telegraf-Modell, beispielsweise, geht davon aus, dass die Gene in kurzen Ausbrüchen aktiviert werden. Gene ‚flackern‘ also zufällig zwischen an und aus – und bilden trotzdem in Organismen wie der Fruchtfliege extrem präzise Muster der Genregulation. Was aber nicht klar war: Warum sollte die Zelle die Genexpression überhaupt über so eine Strategie steuern? Wenn ein Gen zum Beispiel 80 Prozent aktiv sein soll, warum schaltet es dann nicht einfach dauerhaft auf 80 Prozent, sondern lässt es zwischen 0 und 100 Prozent flackern? Und selbst wenn genau das die Strategie ist, wie läuft dann dieses Schalten ab? Während Klimaanlagen auf technisch ausgefeilte Schalter zurückgreifen, die jederzeit präzise betätigt werden können, verfügen Zellen nicht über solche Komponenten. Sie können den genauen Zeitpunkt jedes Ein- oder Ausschaltvorgangs nicht festlegen, sondern lediglich die Wahrscheinlichkeit des Umschaltens modulieren.
Die neuen Forschungsergebnisse besagen, dass das Flackern der Gene nach einem bestimmten Prinzip organisiert ist, nämlich mit einer konstanten charakteristischen Zeitskala. „In der Physik bezeichnen wir dies als Korrelationszeit ‚Tc‘“, erklärt Tkačik. „Sie bleibt unabhängig vom gewünschten Expressionsniveau konstant und ermöglicht so eine sehr präzise Steuerung der Expression. Diese Entdeckung war eine große Überraschung, da sie im Widerspruch zu zuvor veröffentlichten Modellen steht.“ Das Schaltprogramm ist also, kurz gesagt, zufällig im einzelnen Moment, aber präzise im statistischen Durchschnitt.
Präzision benötigt Energie
Viele klassische Modelle gehen davon aus, dass Genexpression vor allem passiv angetrieben wird. Moleküle – sogenannte Transkriptionsfaktoren – docken mehr oder weniger zufällig an die DNA und lösen sich wieder. Dadurch wird ein Gen mal aktiver, mal weniger aktiv. Laut Tkačik ist diese passive Kontrolle im thermodynamischen Gleichgewicht, verbraucht also keine Energie, sondern ist im Equilibrium. Die beobachtete konstante Korrelationszeit in der Fruchtfliege lässt sich mit einfachen Gleichgewichtsmodellen aber schwer erklären. Bei eukaryotischen Zellen scheint es so zu sein, dass etwas komplexere Schemata benutzt werden.
Die neue Studie der Forscher:innen zeigt dafür eine neue theoretische Vorgehensweise, welche nahelegt, dass diese passive Sicht alleine nicht ausreicht. Dieses System läuft nicht einfach im thermodynamischen Gleichgewicht, sondern wird aktiv angetrieben und verbraucht Energie. Der nächste Schritt ist, diese theoretische Vorhersage auch experimentell zu untersuchen.
Laut Tkačik bleibt noch einiges zu tun, so etwa auch ein wirklich mechanistisches, physikalisches Rahmenmodell, in Form von Gleichungen, die an experimentelle Daten angepasst sind. Damit versuchen die Forschenden dann zu beschreiben, ob die stochastische Ein-Aus-Dynamik innerhalb einzelner Zellkerne dadurch verursacht wird, dass die Genregulation tatsächlich auf dem DNA-Polymer stattfindet. Zudem soll untersucht werden, wie eine solche Dynamik zu den hochpräzisen Genexpressionsmustern führen kann, die auf der Ebene eines gesamten Organismus beobachtet werden.
Institute of Science and Technology Austria
Originalpublikation:
Zoller et al. 2026. Invariant non-equilibrium dynamics in gene regulation optimize information flow. PNAS. DOI: 10.1073/pnas.2524855123, https://doi.org/10.1073/pnas.2524855123
