Хотя гены остаются неизменными на протяжении всей жизни, генетический код не обязательно является судьбой человека. Фактически, гены можно включать и выключать, чтобы регулировать ряд действий внутри клеток.
Организм делает это естественным образом в ответ на внутренние потребности или изменения во внешней среде, и теперь ученые могут включать и выключать эти процессы в лаборатории. Другими словами, исследователи создали инструменты, которые позволят в реальном времени активировать целевые гены в определенных местах генома.
Эта технология может помочь ученым осветить функцию гена в различных биологических процессах и, надеюсь, будет полезна в регенеративной медицине. Исследователи из Texas AM создают систему для этого, используя два общих элемента: кальций и свет.Кальций, способный не просто строить крепкие кости, играет важную роль в этой системе, поскольку его сигналы регулируют ряд действий внутри клетки, от роста и метаболизма до гомеостаза.
Включение потока ионов кальцияЮбин Чжоу, доктор философии, доцент Техасского института биологических наук и технологий, возглавляет исследование, разрабатывающее то, что он называет системой CaRROT (кальций-зависимый инструмент транскрипционного репрограммирования). Эта система может контролировать транскрипцию генов в организме с высокой точностью — другими словами, она может диктовать, как, когда и где гены создают белки, которые выполняют различные клеточные функции.
CaRROT использует простой импульс света или химические вещества, которые могут вызвать поток ионов кальция в клетки. Исследователи описали свою технику в недавней статье, опубликованной в журнале ACS Synthetic Biology. «Эта технология должна позволить ученым включать и выключать разнообразные гены в любом месте, просто переключая свет или добавляя или удаляя активирующие соединения», — сказал Чжоу.
Исследователи разработали CaRROT для перехвата кальциевых сигналов, генерируемых светом (с помощью Opto-CRAC, еще одной технологии, разработанной Чжоу и его командой), чтобы предоставить инструмент геномной инженерии, полученный из системы CRISPR / Cas9, для включения генов. «Когда включается свет, ворота, управляющие ионами кальция, открываются, чтобы позволить потоку кальция из внешнего пространства в цитоплазму клетки», — сказал Нхунг Нгуен, аспирант лаборатории Чжоу, руководивший этой работой. «Этот процесс в конечном итоге включает экспрессию определенных генов». Затем включение экспрессии генов приводит к изменению функции клетки.
«Мы проверили десятки сконструированных белков и прошли многочисленные раунды оптимизации, чтобы сделать систему CaRROT строго чувствительной к свету», — добавил Лиан Хэ, доктор философии, аспирант лаборатории Чжоу и соавтор исследования. Чтобы оценить, насколько действительно эффективен CaRROT в клетках млекопитающих, команда проверит его на генах, контролирующих дифференцировку нейронов и скелетных мышц. Они надеются, что смогут использовать CaRROT в регенеративной медицине для точной дифференциации стволовых клеток в орган любого типа, просто освещая клетки светом.«Улучшение проникновения света в глубокие ткани вселяет оптимизм в отношении того, что мы можем использовать CaRROT для перепрограммирования клеток в поврежденных органах», — сказал Юн Хуанг, доктор философии, старший автор исследования. «Возможно, однажды, просто выставив ткани на свет, мы сможем залечить рану или ускорить регенерацию поврежденных тканей путем фотонастройки координированной экспрессии генов».
Отключение притока кальцияВо втором исследовании, недавно опубликованном в журнале Angewandte Chemie в качестве прикрытия, Чжоу и его команда изобрели новый оптогенетический инструмент, который может делать противоположный трюк. Когда свет падает на клетки в «возбудимых» тканях, таких как нервная и сердечно-сосудистая системы, приток кальция через шлюзы на мембране клетки, называемые потенциалозависимыми кальциевыми каналами, может быть отключен.
Эти каналы, составляющие основной путь поступления кальция в клетку, регулируют ряд физиологических процессов. Поскольку их дисфункция связана со многими заболеваниями, они считаются важной терапевтической мишенью для сердечно-сосудистых и нервно-психических расстройств.Традиционные блокаторы кальциевых каналов, одобренные Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США, широко используются для лечения сердечно-сосудистых заболеваний, включая высокое кровяное давление, аритмию и ишемическую болезнь сердца. Однако эти препараты имеют тенденцию вызывать побочные эффекты — включая головную боль, отек, опасно низкое кровяное давление и сердцебиение — из-за их цитотоксичности и побочных эффектов. «Из-за этих побочных эффектов в клинике очень необходима разработка новых интервенционных подходов в дополнение к традиционным блокаторам кальциевых каналов», — сказал Чжоу. «Наш новый оптогенетический инструмент обеспечивает нетрадиционный метод исследования физиологических и патофизиологических процессов, на которые воздействуют эти потенциалзависимые кальциевые каналы».
Чжоу и его сотрудники объединили генетические стратегии с оптическими методами, чтобы создать новый класс генетически кодируемых ингибиторов для этих потенциалзависимых кальциевых каналов. «После огромных усилий по оптимизации мы разработали идеальный ингибитор с фотопереключением, который мы называем optoRGK. OptoRGK продемонстрировал превосходное индуцируемое светом ингибирование проникновения ионов кальция в возбудимые клетки», — сказал Гуолин Ма, доктор философии, помощник научного сотрудника в лаборатории Чжоу. , который возглавил проект.Команда проверила этот инструмент на клетках сердечной мышцы, которые показали ритмические колебания кальция в темноте, соответствующие ритму сердцебиения. «Однако при освещении синим светом ритмические колебания могут быть существенно уменьшены или даже прекращены», — сказал Чжоу. «Примечательно, что этот процесс полностью обратим после удаления источника света».
С помощью этого метода исследователи могут регулировать активность возбудимых клеток нервной и сердечно-сосудистой систем. «В дополнение к фотоактивируемой системе Opto-CRAC, набор инструментов optoRGK предоставляет уникальную возможность отключать кальциевые сигналы в возбудимых клетках», — сказал Юджун Ван, доктор философии, соавтор этого исследования из Пекинского педагогического университета.«Наши новые оптогенетические инструменты могут быть удобно применены для управления широким спектром физиологических процессов, опосредованных потенциалозависимыми кальциевыми каналами во многих биологических системах», — добавил Чжоу. «В то время как традиционным блокаторам потенциалзависимых кальциевых каналов не хватает обратимости, селективности и тканеспецифичности, optoRGK открывает захватывающие возможности для вмешательства в соответствующие физиологические процессы с беспрецедентной точностью. Мы надеемся, что такого рода исследования в конечном итоге приведут к созданию нового поколения оптогенетических устройств для лечения рак, сердечно-сосудистые и неврологические заболевания ».