Китайські вчені створили оптогенетіческій інструмент, який дозволяє точно регулювати експресію генів, імітуючи нормальну експресію в живих системах. Представлена \u200b\u200bними схема допоможе глибше вивчити механізми експресії генів в клітинах тварин. В рамках роботи, опублікованої в Nature Communications, дослідники також продемонстрували потенційне застосування молекулярного інструменту в якості терапії діабету першого типу.
Щоб розуміти, як функціонує той чи інший білок, як клітина відповідає на зовнішні і внутрішні сигнали, необхідно мати можливість аналізувати, як саме експресуються гени, і, відповідно, виробляються білки. Прийнято вважати, що при постійних зовнішніх умовах концентрація і функції ключових регуляторних молекул в клітці не сильно змінюються або випадковим чином коливаються біля фіксованого значення.
Однак багато регуляторні білки, в тому числі і транскрипційні фактори, функціонують «пульсуючим» чином і, відповідно, по-різному впливають на клітинну долю, відповідь клітини на стресові умови і диференціацію. Вченим вдалося пояснити механізми тільки деяких таких пульсуючих механізмів. Створення керованих пульсуючих систем може бути корисним для подальшого вивчення їх механізму і стоять за ними біологічних функцій.
Виділення клітинами інсуліну відноситься до такої пульсуючим схемою. Інсулін - білковий гормон, який виділяють бета-клітини підшлункової залози. Інсулін блокує виділення глюкози печінкою і сприяє тому, щоб клітини використовували глюкозу, що поступає в кров з їжі.
У дослідженнях для управління експресією генів широко використовуються впливають на неї хімічні речовини. Однак такі хімічні індуктори довго не розпадаються і тому занадто довго впливають на експресію. І якщо в експерименті на клітинних культурах можна фізично прибрати впливає речовина (поміняти середу), то в експериментах на тваринах такої можливості немає (не можна назад «відібрати» речовина з клітин тваринного), і практично неможливо динамічно регулювати експресію, просто додаючи або прибираючи хімічна речовина. Існують альтернативні системи, в яких експресія генів залежить від світла, але застосування і таких систем сильно обмежена: складно «доставити» необхідну кількість світла глибоко в тканини, тому що тканини самі по собі досить сильно поглинають світло.
Проблема управління білками цікавить не тільки тих, хто займається експресією генів. Раніше нейробіології розробили химерні білки, які одночасно володіють і люмінесценцією (здатністю світитися), і чутливістю до світла. Така особливість дозволяла їм в присутності субстрату «запускати» самих себе. Ці білки регулювали роботу іонних каналів. На відміну від традиційних хімічних індукторів, субстрат люціферази - білка, який видає світіння - легко і швидко використовується люціферази, а тому відповідь білка швидко досягає свого піку і також швидко зникає, що робить його динамічним.
Група вчених з Східно-китайського університету науки і технологій під керівництвом І Янa (Yi Yang) запропонувала використовувати подібну систему, в якій поєднується хімічна і світлова регуляція, для управління експресією генів в клітинах. Вчені вирішили створити химерний білок, що складається з включається світлом транскрипційного фактора і люціферази. Для цього вони поєднали модифіковану люціферази глибоководної креветки NanoLuc і LOV-домен (light-oxygen-voltage), чутливий до світла білок рослин і грибів, в одну молекулу. При цьому LOV-домен добре поглинає синє світло (довжина хвилі? \u003d 440-480 нанометрів), а люціферази NLuc якраз виробляє синє світло. Впливати на таку систему можна двома способами: безпосередньо світлом або надаючи люціферази її субстрат фурімазін. Експерименти показали, що система дійсно функціонує як логічний елемент «АБО». Експресія контрольованого химерним транскрипційним фактором білка зростала в 116 разів при додаванні фурімазіна з концентрацією 2,5 микромоль, і зменшувалася при подальшій збільшенні концентрації субстрату.
Зростання рівня експресії білка в залежності від впливу на химерний транскрипційним фактор світлом і фурімазіном Ting Li et al. / Nature Communications, 2021 Поділитися За задумом вчених, люціферази в транскрипционном факторі швидко використовує надану їй субстрат, і як тільки він закінчується, транскрипційним фактор перестає активувати транскрипцію гена. Для того щоб перевірити, наскільки створений ними фактор відповідає очікуванням, дослідники виміряли рівень експресії контрольованого їм білка в залежності від часу. Згідно з результатами вимірів, через 4-6 годин після додавання фурімазіна рівень синтезу білка досягав максимуму, а потім різко знижувався.
Далі дослідники протестували систему in vivo на тваринах моделях. Печінка мишей трансфіковані плазмидами, в яких експресія репортерного флуоресцентного білка контролювалася розробляються химерним транскрипційним фактором. Після введення мишам фурімазіна, експресія репортерного білка також досягала максимум через чотири години і різко знижувалася після.
При цьому амплітуда рівня експресії змінювалася з концентрацією вводиться фурімазіна. Крім того, експресію білка можна було повторно «включати» з інтервалами о восьмій годині.
На закінчення група вчених показала розроблену ними схему як потенційний спосіб терапії діабету. Клітини, в яких вироблення інсуліну контролювалася химерним транскрипційним фактором, Інкапсульована в напівпроникну мембрану. Пропускає тільки низькомолекулярні сполуки (Ключові слова:.