Fluctuating genes

Fluctuating genes

There is a lot more noise than assumed in gene expression. Nevertheless, organisms still manage to develop complex organs. As American researchers show in Nature Communications.

When we think about gene expression, we assume that genes are activated at set locations for doing their job. And that when this is not the case things are spinning out of control. But at the same time researchers also see a lot of noise in gene expression. Think about FLC, the gene that prevents flower development, that is slowly turned off during winter. But it is not that all cells at the same time gradually produce less FLC, but that in more and more cells FLC is completely turned off.

In the new study researchers looked at how this works for genes that are regulated by the hormone auxin. Firstly, the researchers studied the expression of an auxin reporter gene. In young flower growth centres, the location where the reporter was turned on fluctuated. As if the reporter was still searching for its spot. In older flower growth centres, with more cells, the fluctuations were restricted to the four locations of the future sepals.

To be sure that they measured fluctuations of gene expression of the auxin reporter, and not of auxin itself, the researchers flooded the flower growth centres with auxin. But even with auxin present in all cells, the expression of the auxin reporter kept fluctuating.

The fluctuations are especially noticeable when there are only a handful of cells

Now, you can say, the auxin reporter fluctuates, but that is artificial, what about the actual genes. To find out the researchers fused the promoters of two auxin regulated genes each with two fluorescent proteins. In this way the researchers could see if the gene expression fluctuated not only by location, but also within the cell itself. As without noise the cell would produce equal amounts of each of the two fluorescent proteins.

But that is not what the researchers observed. Not only did the researchers see different locations light up than for the auxin reporter. But they noticed also fluctuations in the amounts of fluorescent protein. The through the plant regulated genes therefore also fluctuate. Although, this fluctuation was less than that was observed for the auxin reporter.

The fluctuations are especially noticeable when there are only a handful of cells. The more cells there are the less fluctuation there is. In addition, there are other dampening effects that prevent genes to fluctuate too much. But how the plant still manages with all that noise to form a similar forms time after time, that is something that the researchers don’t know yet.

Literature

Kong, S., Rusnak, B., Zhu, M. et al. Stochastic gene expression in auxin signaling in the floral meristem of Arabidopsis thaliana. Nat Commun 16, 4682 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-59943-4

Thanks for reading.
If you like what you read, support me with on of the following actions

🍵 Buy me a tea

Follow me on LinkedIn or BlueSky
Share it with a friend or co-worker
Singing up to my newsletter so my next blog lands directly in your inbox

Fluctuerende genen

Fluctuerende genen

Er is veel meer ruis bij genexpressie dan verondersteld. Toch lukt het organismen om complexe organen te ontwikkelen. Dit laten Amerikaanse onderzoekers in Nature Communications zien.

Als we over genexpressie denken dan veronderstellen we dat genen op vaste plekken in een organisme aangaan om hun werk te doen. En dat wanneer dit niet het geval is de boel in de soep loopt. Tegelijkertijd zien onderzoekers ook veel ruis in genexpressie, denk aan FLC, het gen dat bloemvorming tegenhoudt, dat langzaam uitgaat naarmate het langer koud is. Het is niet zo dat er in alle cellen geleidelijk minder FLC is, maar dat in steeds meer cellen FLC helemaal uitstaat.

In het nieuwe onderzoek keken de onderzoekers naar hoe dit zit voor genen die het hormoon auxine reguleert. Als eerste bestudeerde de onderzoekers de expressie van een auxine reporter. In jonge bloemgroeikernen fluctueerde de locatie waar de auxine reporter aanstond. Alsof de reporter zelf nog zoekende was. In oudere bloemgroeikernen met meer cellen beperkte de fluctuaties tot de vier locaties van de nog te vormen kelkbladeren.

Om er zeker van te zijn dat ze fluctuaties van expressie van de auxine reporter maten en niet van de auxine zelf, overspoelde de onderzoekers de cellen met auxine. Ook met overvloedige aanwezigheid van auxine in alle cellen bleef de expressie van de auxine reporter fluctueren.

De fluctuaties vallen met name op wanneer er maar een handvol cellen zijn

Nu kan je zeggen, ok die auxine reporter fluctueert, maar die is kunstmatig, hoe zit het met de eigenlijke genen. Om dat te onderzoekers fuseerde de onderzoekers de promoters van twee door auxine gereguleerde genen met twee fluorescerende eiwitten. Zo konden de onderzoekers niet alleen zien of de expressie van locatie fluctueerde, maar ook in de cel zelf. Zonder ruis maakt de cel immers even veel van de twee fluorescerende eiwitten.

Maar dat is niet wat de onderzoekers zagen. Niet alleen zagen de onderzoekers cellen oplichten in andere locaties dan de auxine reporter. Maar ook dat er nu eens meer van de ene fluorescent eiwit was, en dan weer eens meer van het andere fluorescent eiwit. Ook door de plant gestuurde genen fluctueerde dus. Al was de fluctuatie die de onderzoekers zagen wel minder dan die voor de reporter. 

De fluctuaties vallen met name op wanneer er maar een handvol cellen zijn. Naar mate er meer cellen komen neemt de fluctuatie af. Daarnaast zijn er andere dempende effecten die voorkomen dat genen te veel fluctueren. Maar hoe het de plant lukt om ondanks al het ruis toch weer keer op keer tot dezelfde form te komen, daar zijn onderzoekers het nog niet over uit.

Literatuur

Kong, S., Rusnak, B., Zhu, M. et al. Stochastic gene expression in auxin signaling in the floral meristem of Arabidopsis thaliana. Nat Commun16, 4682 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-59943-4

Bedankt voor het lezen
Vond je het interessant, overweeg dan een van de volgende acties

🍵 Buy me a tea

Volg me op LinkedIn of BlueSky
Stuur het door aan een vriend of collega
Abonnneer je op m’n nieuwsletter zodat de volgende automatisch in je inbox verschijnt.

Slow integration

Slow integration

Thousands of genes of mitochondria and chloroplasts have found their way into the genome of the plant. A process that is still going on, regardless of that mitochondria and chloroplasts are nested inside plant cells for millions of years. The process is purposely slow German researchers show in Nature Plants.

There are different advantages for a gen to be located in the genome of a plant. Sexual recombination for example, something that does not happen with genes located in the mitochondrial or chloroplast genome. In addition, a plant can regulate the genes that are located in its genome in a more energy efficient way. Nevertheless, genes coming from mitochondria or chloroplast don’t enter the genome easy.

There are three things that need to happen for the translocation of genes from the chloroplast genome to that of the plant. First the DNA of the chloroplast need to find a wat into the cytosol. For example, through rupture of the chloroplast. Secondly, the DNA needs to find a way to the nucleus. Where, thirdly, it needs to integrate into the genome. Whereas researchers have a reasonably good idea how this works for the first and second step, they haven’t for the last step. Therefor the researchers of the article decided to investigate.

Without DSBR-system the plant is integrating more chloroplast and mitochondria DNA in its genome

Double strand breaks give chloroplast and mitochondrial DNA a chance to sneak into the genome. By this process the double strand repair system (also called DSBR-system) is involved. The researchers made two mutants, who each inactivated of one of the two DSBR-systems of the plant, in order to find out if the DSBR-system is also involved in the integration of mitochondrial or chloroplast DNA.

Through combining this with a system that stimulates the rupture of chloroplasts the researchers could see the effect of missing one of the two DSBR-systems. They noticed that when plants missed one of the two DSBR-systems that the plants were integrating more chloroplast DNA in the genome.

This occurred at a very high frequency, which in turn increased the chance of influencing the workings of other genes. And this is something the plant wants to prevent as much as possible. From that prospective it is not strange that DSBR-systems don’t allow the integration of mitochondrial or chloroplast DNA into the genome to be to fast.

Literature

Gonzalez-Duran, E., Kroop, X., Schadach, A. et al. Suppression of plastid-to-nucleus gene transfer by DNA double-strand break repair. Nat. Plants (2025). https://doi.org/10.1038/s41477-025-02005-w

Thanks for reading.
If you like what you read, support me with on of the following actions

🍵 Buy me a tea

Follow me on LinkedIn or BlueSky
Share it with a friend or co-worker
Singing up to my newsletter so my next blog lands directly in your inbox

Langzame integratie

Langzame integratie

Duizenden genen van mitochondriën en chloroplasten hebben hun weg in het genoom van de plant gevonden. Ondanks dat mitochondriën en chloroplasten zich al miljoenen jaren in plantencellen bevinden is dit proces nog steeds gaande. Een bewust langzaam proces laten Duitse onderzoekers in Nature Plants zien.

Er zijn verschillende voordelen om als gen in het genoom van de plant te zitten. Seksuele uitwisseling bijvoorbeeld, iets wat in het mitochondrie of chloroplast genoom niet gebeurt. Ook kan de plant genen die in z’n genoom bevinden energie efficiënter reguleren. Toch is het niet zo dat genen van mitochondriën of chloroplasten makkelijk het planten genoom binnenkomen.

Voor het overbrengen van genen van het chloroplast genoom naar dat van de plant zijn drie dingen nodig. Ten eerste moet DNA van de chloroplast zich een weg vinden naar het cytosol. Bijvoorbeeld doordat een chloroplast openbreekt. Ten tweede moet het DNA in de nucleus terecht komen. Waar ten derde het genoom het DNA in zich moet integreren. Waar voor de eerste en twee de stap onderzoekers een redelijk beeld hebben hoe dit gebeurt, hebben ze dat niet bij de laatste stap. Daarom besloten de onderzoekers van het artikel het nader te bestuderen.

Zonder DSBR-systeem nemen planten meer chloroplast en mitochondrie DNA in hun genoom op

Een dubbele breuk in het genoom geeft het chloroplast of mitochondrie DNA een kans om ertussen te komen. Hierbij is het dubbele-streng breuk repareer systeem ook wel (DSBR-systeem genoemd) betrokken. Om te onderzoeken of het DSBR-systeem ook betrokken in bij het integreren van het mitochondrie of chloroplast DNA maakte de onderzoekers twee mutanten die elk een van de twee DSBR-systemen van de plant plat leggen.

Door dit te combineren met een systeem dat het openbreken van chloroplasten stimuleert konden de onderzoekers het effect van het missen van een van de twee DSBR-systeem zien. Hierbij zagen de onderzoekers dat wanneer de plant een DSBR-systeem miste, dat planten dan meer chloroplast DNA in het genoom opnemen.

De frequentie hiervan was behoorlijk hoog, en daarmee ook de kans dat het de werking van andere genen beïnvloed. Dat laatste is iets wat de plant zo veel mogelijk wil voorkomen. Het is dan vanuit dat oogpunt ook niet gek dat de DSBR-systemen van de plant de integratie van mitochondrie of chloroplast DNA in het genoom van de plant niet te snel willen laten gaan.

Literatuur

Gonzalez-Duran, E., Kroop, X., Schadach, A. et al. Suppression of plastid-to-nucleus gene transfer by DNA double-strand break repair. Nat. Plants (2025). https://doi.org/10.1038/s41477-025-02005-w

Bedankt voor het lezen
Vond je het interessant, overweeg dan een van de volgende acties

🍵 Buy me a tea

Volg me op LinkedIn of BlueSky
Stuur het door aan een vriend of collega
Abonnneer je op m’n nieuwsletter zodat de volgende automatisch in je inbox verschijnt.