Обучение программированию клеточной памяти

Исследователи из Caltech под руководством Майкла Эловица, Лакрамиоары Бинту и Джона Йонга (PhD '15) сделали важный шаг к программированию клеточной памяти, используя естественные инструменты клеток. Они изучили, как четыре представителя класса белков — хроматиновых регуляторов — устанавливают и контролируют способность клетки сохранять определённое состояние экспрессии генов (запоминать его) даже после исчезновения сигнала, который это состояние вызвал.

Результаты опубликованы 12 февраля в журнале Science.

Метод «создать, чтобы понять»

Вместо анализа сложных природных процессов, учёные использовали синтетическую биологию, чтобы «с нуля» построить изучаемую систему в клетках. Они сконструировали клетки так, что добавление малой молекулы заставляло один из генных сайленсинговых регуляторов связываться с ДНК рядом с геном флуоресцентного белка. Отслеживая свечение в отдельных клетках, можно было определить, выключил ли регулятор ген, и как долго ген «помнил» этот эффект после удаления регулятора.

Для исследования были выбраны регуляторы из четырёх биохимически различных классов.

Наблюдение за отдельными клетками

В течение месяца учёные с помощью микроскопии, проточной цитометрии и созданного ими ПО для трекинга клеток наблюдали за ростом и делением отдельных клеток в режиме тайм-лапс.

После модификации регулятором гены всегда находились в одном из трёх состояний:

• «Бодрствующий» — активно производит белок.
• «Спящий» — неактивен, но может «проснуться» за несколько дней.
• «В коме» — не может быть активирован в течение 30 дней наблюдений.

В отдельной клетке гены были либо полностью включены, либо полностью выключены.

Ключевые открытия

1. Контроль вероятности, а не уровня. Регуляторы контролируют не степень экспрессии гена в отдельной клетке, а долю клеток в популяции, у которых ген включён или выключен. Это полезно для многоклеточного организма, которому может потребоваться, чтобы дифференцировалась только часть клеток (например, 30%).
2. Разные типы памяти. Каждый из четырёх регуляторов обеспечивал разный тип памяти:
   • Постоянная память: ген выключен, часть клеток остаётся «в коме» все 30 дней.
   • Кратковременная память: клетки «просыпаются» сразу.
   • Гибридная память: часть клеток просыпается, а часть остаётся «в глубокой коме». Доля «коматозных» клеток зависит от длительности сигнала (времени, которое регулятор был прикреплён к ДНК).

Перспективы

В дальнейшем группа планирует изучить другие хроматиновые регуляторы, чтобы понять, как они используются в клетке и как работают в комбинациях. В долгосрочной перспективе цель — собрать эти белки с другими клеточными компонентами для программирования сложного поведения в синтетических схемах.

Это шаг к созданию программируемой клеточной терапии, но также и ответ на фундаментальные вопросы биологии. «Мы не сможем эффективно программировать клетки, пока не поймём, какие возможности предоставляют их основные пути», — говорит Майкл Эловиц.