Система, чувствительная к РНК, контролирует экспрессию белка в зависимости от состояния клетки

Исследователи из Института Броуда (MIT и Гарвард) и Института исследований мозга Макговерна (MIT) разработали систему, способную обнаруживать определенную последовательность РНК в живых клетках и в ответ производить целевой белок. Используя эту технологию, команда продемонстрировала, как можно идентифицировать конкретные типы клеток, обнаруживать и измерять изменения в экспрессии отдельных генов, отслеживать транскрипционные состояния и контролировать производство белков, закодированных синтетической мРНК.

Платформа, названная Reprogrammable ADAR Sensors (RADARS), позволила команде даже нацелиться и уничтожить определенный тип клеток. Исследователи считают, что в будущем RADARS может помочь обнаруживать и избирательно уничтожать опухолевые клетки или редактировать геном в специфических клетках. Исследование опубликовано в Nature Biotechnology под руководством со-первых авторов Кайи Цзян (MIT), Джереми Куба (Броуд), Си Чен (Броуд), Рохана Кражески (MIT) и Ифана Чжана (Броуд).

Принцип работы: перепрограммирование редактирования РНК

Платформа RADARS производит нужный белок при обнаружении специфической РНК, используя естественный для клеток процесс редактирования РНК.

Система состоит из РНК, содержащей два компонента:

1. Направляющую область, которая связывается с целевой последовательностью РНК, которую нужно обнаружить.
2. Полезную область, которая кодирует интересующий белок (например, флуоресцентный сигнал или фермент, убивающий клетку).

Когда направляющая РНК связывается с мишенью, образуется короткая двуцепочечная РНК с неспаренными основаниями — аденозином (A) и цитозином (C). Это привлекает естественное семейство РНК-редактирующих белков — аденозиндезаминазы, действующие на РНК (ADAR).

В RADARS неспаренные A-C находятся внутри стоп-сигнала в направляющей РНК, который блокирует производство целевого белка. Белки ADAR редактируют и инактивируют этот стоп-сигнал, позволяя начаться трансляции белка. Последовательность этих молекулярных событий является ключевой для функции RADARS как сенсора: белок производится только после связывания направляющей РНК с мишенью и инактивации стоп-сигнала белками ADAR.

Результаты и перспективы

Команда протестировала RADARS на разных типах клеток с различными мишенями и белковыми продуктами. Система успешно различала клетки почек, матки и печени, могла производить разные флуоресцентные сигналы, а также каспазу — фермент, убивающий клетки. RADARS также измеряли экспрессию генов в широком динамическом диапазоне.

В большинстве случаев система успешно работала с использованием собственных белков ADAR клетки. Однако добавление дополнительных белков ADAR усиливало сигнал. Оба подхода потенциально полезны: использование естественных белков минимизирует риск нецелевого редактирования в терапевтических целях, а их добавление может усилить эффект в лабораторных исследованиях.

Поскольку и направляющая, и полезная РНК могут быть изменены, систему легко перепрограммировать для нацеливания на разные типы клеток и производства разных сигналов. Команда также создала более сложные RADARS, которые производили один белок при обнаружении двух последовательностей РНК, и другой — при обнаружении одной из двух последовательностей.

В перспективе исследователи надеются разработать набор правил проектирования, чтобы другие ученые могли легко создавать RADARS для своих экспериментов. Систему можно использовать для манипуляции состоянием иммунных клеток, отслеживания нейронной активности в ответ на стимулы или доставки терапевтической мРНК в специфические ткани.