Создание основы для клеточных вычислений в млекопитающих с помощью мРНК-переключателей

Исследовательская группа профессора Хирохидэ Сайто разработала новый подход для контроля трансляции мРНК с использованием Cas-белков. Это расширяет разнообразие мРНК-переключателей и упрощает создание синтетических генетических цепей в клетках млекопитающих. Результаты опубликованы в Nature Communications 19 апреля 2023 года.

Технологии клеточных вычислений, позволяющие осуществлять точный, компьютероподобный контроль функций и судьбы клеток, исследуются в области синтетической биологии. Программирование паттернов экспрессии генов углубляет понимание биологических процессов и может привести к новым методам лечения, повышая эффективность терапии и снижая побочные эффекты.

Для создания таких систем необходим набор компонентов для построения сложных информационных цепей в живых клетках. Однако количество доступных для контроля компонентов, особенно РНК-связывающих белков (RBP), было ограничено.

Чтобы расширить список RBP, работающих как регуляторы трансляции, группа Сайто использовала способность CRISPR-Cas белков узнавать специфические последовательности sgRNA. Эти последовательности встраивались в 5'-нетранслируемую область (5'-UTR) целевой мРНК, кодирующей репортерный белок (переключатель).

• В отсутствие соответствующего Cas-белка (триггера) репортерный белок синтезируется — переключатель включен (ON).
• При экспрессии Cas-белка он связывается с мРНК через sgRNA-последовательность и блокирует трансляцию — переключатель выключен (OFF).

Используя дополнительный модуль "инвертора", ученые могут преобразовывать такие OFF-переключатели в ON-переключатели.

Система получила название CARTRIDGE (Cas-Responsive Translational Regulation Integratable into Diverse Gene control). Для управления трансляцией различных мРНК-переключателей в ней применяются биоинженерные технологии контроля Cas-белков, такие как split-Cas система и анти-CRISPR белки.

Протестировав 25 типов Cas-белков, исследователи обнаружили, что 20 из них могут подавлять трансляцию, а 13 демонстрируют высокую специфичность, взаимодействуя только со своими целевыми мРНК. Это критически важно для комбинированного использования в искусственных генетических цепях.

С помощью этого расширенного набора инструментов ученые создали различные сложные искусственные цепи, включая логические элементы AND и многослойные каскады. Они также сконструировали в клетках млекопитающих сложную арифметическую схему полувычитателя, используя как транскрипционный, так и трансляционный контроль с помощью Cas-белков.

Значительно расширив молекулярный инструментарий для регуляции трансляции, исследователи надеются, что их работа будет способствовать развитию не только приложений синтетической биологии на основе РНК и RBP, но и будущих технологий редактирования генома и CRISPR-исследований, на которых основана система CARTRIDGE.