Управление генами с помощью света

Хотя в клетках человека около 20 000 генов, в любой момент времени активна лишь их часть, в зависимости от потребностей клетки, которые могут меняться каждую минуту или час. Чтобы понять функции этих генов, исследователям нужны инструменты, способные манипулировать их активностью с аналогичной скоростью.

Теперь это возможно благодаря новой технологии, разработанной в MIT и Broad Institute, которая может быстро запускать или останавливать экспрессию любого нужного гена, просто освещая клетки светом.

Работа основана на технике оптогенетики, использующей белки, меняющие свою функцию в ответ на свет. В данном случае исследователи адаптировали светочувствительные белки для стимуляции или подавления экспрессии конкретного целевого гена почти мгновенно после включения света.

«Методы, используемые для воздействия на экспрессию генов, пока не приближаются к естественной динамике клеток. Чтобы лучше понять функциональное влияние этих изменений, мы должны максимально точно соответствовать естественной динамике», — говорит Сильвана Конерманн, аспирант MIT.

Точный контроль времени и продолжительности экспрессии генов должен облегчить определение роли конкретных генов, особенно вовлеченных в процессы обучения и памяти. Новая система также может использоваться для изучения эпигенетических модификаций — химических изменений белков, окружающих ДНК, — которые, как полагают, также играют важную роль в обучении и памяти.

Конерманн и Марк Брайтэм, аспирант Гарвардского университета, являются ведущими авторами статьи, описывающей технику в онлайн-выпуске Nature от 22 июля. Старший автор статьи — Фэн Чжан.

Освещая гены

Новая система состоит из нескольких компонентов, взаимодействующих для контроля копирования ДНК в матричную РНК (mRNA). Первый — это ДНК-связывающий белок, известный как эффектороподобный активатор транскрипции (TALE). TALE — модульные белки, которые можно настроить для связывания с любой последовательностью ДНК.

К белку TALE присоединен светочувствительный белок CRY2, естественно встречающийся у растения Arabidopsis thaliana. Когда свет попадает на CRY2, он меняет форму и связывается со своим естественным белком-партнером CIB1. Исследователи создали форму CIB1, слитую с белком, который может либо активировать, либо подавлять копирование гена.

После доставки генов этих компонентов в клетку белок TALE находит свою целевую ДНК и связывается с ней. Когда свет попадает на клетки, белок CRY2 связывается с CIB1, который находится в клетке. CIB1 доставляет активатор гена, который инициирует транскрипцию (копирование ДНК в mRNA). Альтернативно, CIB1 может нести репрессор, который отключает этот процесс.

Одного импульса света достаточно, чтобы стимулировать связывание белков и инициировать копирование ДНК. Наиболее эффективными для достижения непрерывной транскрипции оказались импульсы света, доставляемые примерно каждую минуту. В течение 30 минут после подачи света исследователи обнаружили увеличение количества mRNA, производимого из целевого гена. Как только импульсы прекращаются, mRNA начинает разрушаться примерно через 30 минут.

В этом исследовании ученые нацеливались почти на 30 различных генов как в нейронах, выращенных в лаборатории, так и в живых организмах. В зависимости от целевого гена и уровня его обычной экспрессии, исследователям удалось усилить транскрипцию в 2–200 раз.

Карл Дайссерот, профессор биоинженерии в Стэнфордском университете, отмечает, что важнейшим новшеством техники является возможность контроля естественных генов клетки, а не искусственных генов, доставляемых учеными.

Эпигенетические модификации

Другой важный элемент контроля экспрессии генов — эпигенетические модификации. Один из основных классов эпигенетических эффекторов — химическая модификация белков-гистонов, которые удерживают хромосомную ДНК и контролируют доступ к генам. Исследователи показали, что могут также изменять эти эпигенетические модификации, сливая белки TALE с модификаторами гистонов.

Считается, что эпигенетические модификации играют ключевую роль в обучении и формировании памяти, но это плохо изучено из-за отсутствия точных методов их нарушения. Новая техника предлагает гораздо более точный способ воздействия на модификации отдельных генов.

«Мы хотим позволить людям доказать причинную роль конкретных эпигенетических модификаций в геноме», — говорит Фэн Чжан.

На данный момент исследователи продемонстрировали, что некоторые эффекторные домены гистонов можно привязать к светочувствительным белкам; теперь они пытаются расширить типы модификаторов гистонов, которые можно включить в систему.

Исследование финансировалось за счет стипендии Hubert Schoemaker; гранта NIH Transformative R01 Award; гранта NIH Director's Pioneer Award; фондов Keck, McKnight, Vallee, Damon Runyon, Searle Scholars, Klingenstein и Simons; а также Боба Меткалфа и Джейн Поули.