Новый биосенсор ProKAS создает пространственную карту активности киназ в клетках

Исследователи из Корнеллского университета разработали мощный биосенсор ProKAS (Proteomic Kinase Activity Sensors), который с беспрецедентной детализацией показывает, как и где киназы — ферменты, контролирующие почти все клеточные процессы — включаются и выключаются внутри живых клеток.

Технология дает ученым новый инструмент для изучения молекулярных переключателей, регулирующих рост клеток, репарацию ДНК, а также клеточные реакции на химиотерапевтические препараты и патологические состояния, такие как рак.

Клетки полагаются на киназы для контроля процессов от метаболизма до стрессовых ответов. Расшифровка того, как взаимодействуют более 500 киназ в человеческих клетках, — одна из главных загадок биологии. До сих пор не было надежных инструментов, чтобы увидеть точное место и механизм действия этих ферментов.

"Учитывая проблемы с существующими технологиями, было важно полностью переосмыслить способ отслеживания активности киназ с пространственным разрешением", — сказал Маркус Смолка, профессор молекулярной биологии и генетики, чья лаборатория описала ProKAS в исследовании в Nature Communications. — "Мы используем масс-спектрометрию для считывания активности, и это иной подход по сравнению с используемыми сейчас методами на основе микроскопии".

Как работает ProKAS

Метод использует цепочки аминокислот (пептиды), сконструированные так, чтобы имитировать естественные белки-мишени киназ. Каждый пептид несет уникальный аминокислотный "штрихкод", отмечающий его местоположение внутри клетки. Когда киназа действует на пептид, масс-спектрометрия детектирует как само действие, так и соответствующий штрихкод, раскрывая активность, локализацию и время действия киназы.

"Ключевое нововведение — использование штрихкодов, которые применялись в геномике для изучения ДНК, но здесь мы впервые применяем их к белкам", — пояснил Смолка. — "Это позволяет одновременно отслеживать множество киназ и видеть, где и когда они действуют".

Применение и результаты

В исследовании команда использовала меченые пептиды для мониторинга активности киназ в ответ на действие противораковых препаратов, вызывающих повреждение ДНК.

С помощью ProKAS ученые смогли отследить действие киназ, реагирующих на повреждение ДНК, и увидеть, где и когда они активировались внутри клеток, включая специфические участки ядра. Они наблюдали, как ключевые киназы ответа на повреждение ДНК — ATR, ATM и CHK1 — реагировали со временем, выявляя различия в активности в разных областях, которые раньше измерить было невозможно.

Система также позволяет быстро анализировать множество образцов. "Мы уже можем анализировать 36 образцов за один 30-минутный сеанс масс-спектрометрии", — сказал Смолка.

"Мы увеличиваем масштаб", — добавил первый автор статьи Уилл Комсток. — "Мы переходим к сотням образцов, и в будущем идея заключается в возможности анализировать несколько сотен или даже тысяч".

Перспективы

Дизайн ProKAS позволяет адаптировать его для изучения других человеческих киназ. В будущем технология может помочь исследовать малоизученные киназы и помочь фармацевтическим компаниям идентифицировать новые препараты, влияющие на активность киназ при заболеваниях.

"Для фармкомпаний, которые хотят понять влияние экспериментальных препаратов, это способ сделать это в высокопроизводительном режиме", — сказал Смолка. — "Исследователи могут быстро скринировать и определять механизмы действия лекарств. Я думаю, это имеет огромную ценность".

В дальнейшем команда планирует интегрировать ProKAS с вычислительными инструментами дизайна, расширенными библиотеками пептидов и другими подходами, чтобы углубить понимание того, как киназы формируют поведение клеток.