Chociaż ludzkie komórki mają szacunkowo 20 000 genów, tylko ułamek z nich jest włączony w danym momencie, w zależności od potrzeb komórki — które mogą zmieniać się z minuty na minutę lub godziny. Aby dowiedzieć się, co robią te geny, naukowcy potrzebują narzędzi, które mogą manipulować ich statusem w podobnie krótkich ramach czasowych.
Jest to teraz możliwe dzięki nowej technologii opracowanej w MIT i Broad Institute, która może szybko rozpocząć lub zatrzymać ekspresję dowolnego interesującego genu, po prostu oświetlając komórki światłem.
Praca opiera się na technice znanej jako optogenetyka , która wykorzystuje białka zmieniające swoją funkcję w odpowiedzi na światło. W tym przypadku naukowcy przystosowali światłoczułe białka, aby stymulowały lub hamowały ekspresję określonego genu docelowego niemal natychmiast po włączeniu światła.
„Komórki mają bardzo dynamiczną ekspresję genów zachodzącą w dość krótkim czasie, ale jak dotąd metody stosowane do zakłócania ekspresji genów nawet nie zbliżają się do tej dynamiki. Aby lepiej zrozumieć funkcjonalny wpływ tych zmian w ekspresji genów, musimy być w stanie jak najdokładniej dopasować naturalnie występującą dynamikę” – mówi Silvana Konermann, absolwentka MIT w dziedzinie nauk o mózgu i kognitywistyce.
Możliwość precyzyjnego kontrolowania czasu i czasu trwania ekspresji genów powinna znacznie ułatwić zrozumienie roli poszczególnych genów, zwłaszcza tych związanych z uczeniem się i pamięcią. Nowy system można również wykorzystać do badania modyfikacji epigenetycznych – chemicznych zmian białek otaczających DNA – które, jak się uważa, również odgrywają ważną rolę w uczeniu się i zapamiętywaniu.
Konermann i Mark Brigham, doktorant na Uniwersytecie Harvarda, są głównymi autorami artykułu opisującego tę technikę w internetowym wydaniu Nature z 22 lipca . Głównym autorem artykułu jest Feng Zhang , profesor WM Keck Career Development w inżynierii biomedycznej na MIT oraz główny członek Broad Institute i McGovern Institute for Brain Research.
Rzuć światło na geny
Nowy system składa się z kilku elementów, które wchodzą ze sobą w interakcję, kontrolując kopiowanie DNA do matrycowego RNA (mRNA), które przenosi instrukcje genetyczne do reszty komórki. Pierwszym z nich jest białko wiążące DNA, znane jako efektor podobny do aktywatora transkrypcji (TALE). TALE to modułowe białka, które można łączyć ze sobą w dostosowany sposób, aby związać dowolną sekwencję DNA.
Połączone z białkiem TALE jest światłoczułe białko o nazwie CRY2, które naturalnie występuje w Arabidopsis thaliana, małej kwitnącej roślinie. Kiedy światło uderza w CRY2, zmienia kształt i wiąże się z naturalnym białkiem partnera, znanym jako CIB1. Aby to wykorzystać, naukowcy opracowali formę CIB1, która jest połączona z innym białkiem, które może aktywować lub hamować kopiowanie genów.
Po dostarczeniu genów dla tych składników do komórki białko TALE znajduje docelowe DNA i owija się wokół niego. Kiedy światło pada na komórki, białko CRY2 wiąże się z CIB1, który unosi się w komórce. CIB1 niesie ze sobą aktywator genu, który inicjuje transkrypcję lub kopiowanie DNA do mRNA. Alternatywnie CIB1 może zawierać represor, który odcina proces. Wystarczy pojedynczy impuls światła, aby stymulować wiązanie białek i zainicjować kopiowanie DNA.
Naukowcy odkryli, że impulsy światła dostarczane mniej więcej co minutę są najskuteczniejszym sposobem na osiągnięcie ciągłej transkrypcji przez pożądany okres czasu. W ciągu 30 minut od dostarczenia światła naukowcy wykryli wzrost ilości mRNA wytwarzanego z docelowego genu. Po zatrzymaniu impulsów mRNA zaczyna się rozkładać w ciągu około 30 minut.
W tym badaniu naukowcy próbowali zaatakować prawie 30 różnych genów, zarówno w neuronach wyhodowanych w laboratorium, jak i u żywych zwierząt. W zależności od docelowego genu i stopnia jego normalnej ekspresji, naukowcy byli w stanie zwiększyć transkrypcję od dwóch do 200 razy.
Modyfikacje epigenetyczne
Ważnym elementem kontroli ekspresji genów jest modyfikacja epigenetyczna. Jedną z głównych klas efektorów epigenetycznych jest chemiczna modyfikacja białek, zwanych histonami, które zakotwiczają chromosomalny DNA i kontrolują dostęp do leżących u jego podstaw genów. Naukowcy wykazali, że mogą również zmieniać te modyfikacje epigenetyczne, łącząc białka TALE z modyfikatorami histonów.
Uważa się, że modyfikacje epigenetyczne odgrywają kluczową rolę w uczeniu się i tworzeniu wspomnień, ale nie zostało to zbyt dobrze zbadane, ponieważ nie ma dobrych sposobów na zakłócenie modyfikacji, poza blokowaniem modyfikacji histonowych całego genomu. Nowa technika oferuje znacznie dokładniejszy sposób ingerowania w modyfikacje poszczególnych genów.
„Chcemy umożliwić ludziom udowodnienie przyczynowej roli określonych modyfikacji epigenetycznych w genomie” – mówi Zhang.
Jak dotąd naukowcy wykazali, że niektóre domeny efektorowe histonów można powiązać z białkami światłoczułymi; teraz próbują rozszerzyć typy modyfikatorów histonów, które mogą włączyć do systemu.
„Naprawdę przydatne byłoby zwiększenie liczby znaków epigenetycznych, które możemy kontrolować. W tej chwili dysponujemy udanym zestawem modyfikacji histonów, ale jest ich o wiele więcej, do których my i inni będziemy chcieli wykorzystać tę technologię” – mówi Brigham.
Badania zostały sfinansowane przez stypendium Huberta Schoemakera; nagroda National Institutes of Health Transformative R01 Award; nagroda pioniera dyrektora NIH; fundacje Keck, McKnight, Vallee, Damon Runyon, Searle Scholars, Klingenstein i Simons; oraz Boba Metcalfe'a i Jane Pauley.
