Растительный гормон позволил впервые контролировать белки в живом организме на протяжении всей жизни
Исследователи впервые нашли способ контролировать уровень белков в разных тканях целого живого организма. Метод позволяет учёным с высокой точностью "настраивать" уровень белка вверх или вниз на протяжении всей жизни животного. Этот технологический прорыв поможет изучать молекулярные основы старения и болезней.
Учёные из Центра геномной регуляции в Барселоне и Кембриджского университета успешно протестировали технику, контролируя количество белка в кишечнике и нейронах нематоды Caenorhabditis elegans. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.
Потенциальное влияние на исследования старения и болезней
Исследование открывает путь для разработки совершенно новых экспериментов, невозможных с текущими методами. Например, можно понять, сколько белка необходимо для поддержания здоровья, или проследить, как небольшие изменения белка в одной ткани могут распространяться по всему телу.
"Ни один белок не действует в одиночку. Наш новый подход позволяет изучать, как несколько белков в разных тканях взаимодействуют, чтобы контролировать функции организма и его старение", — говорит доктор Николас Строуструп, исследователь из Центра геномной регуляции и старший автор статьи.
Новый метод будет особенно важен для изучения общесистемных процессов, таких как старение, на которые влияют постоянные взаимодействия между разными органами. Если белок по-разному влияет на продолжительность жизни в разных частях тела, традиционные методы с типичными экспериментами "включения/выключения" генов не всегда могут разделить эти эффекты.
Отсутствие точного, пожизненного, послойного контроля затрудняло понимание того, как разные части нашего тела влияют на старение, как они взаимодействуют друг с другом и как тонкие молекулярные изменения распространяются по всему организму с течением времени. По словам авторов исследования, до сих пор также не хватало тонкости и калибровки.
Как работает двухканальная AID-система
"Чтобы разобраться в нюансах биологии, иногда нужна половина концентрации белка здесь и четверть там, но до сих пор у нас были только методы, направленные на полное удаление белка. Мы хотели контролировать белки, как вы регулируете громкость на телевизоре, и теперь мы можем задавать всевозможные новые вопросы", — объясняет доктор Строуструп.
Техника является адаптацией существующей технологии, происходящей из биологии растений. Растения используют гормон ауксин для контроля роста. Исследователи, работающие с дрожжами, создали популярный лабораторный инструмент, известный как система деградации, индуцируемая ауксином (auxin-inducible degron system, AID).
Она работает путём присоединения к белку метки, называемой дегроном. Фермент TIR1 распознаёт дегрон и разрушает белок, но только в присутствии ауксина. Убрав растительный гормон, можно вернуть белок.
С момента открытия система AID стала широко используемым инструментом в клетках и модельных организмах для быстрого обратимого контроля белков.
Теперь, создав разные версии фермента TIR1 и дегронов и протестировав их на более чем ста тысячах нематод, исследователи разработали новую, более гибкую версию, которую они называют "двухканальной" AID-системой.
Вместо простого включения или выключения белков, эта техника позволяет учёным контролировать, сколько белка остаётся, где в теле происходит контроль и когда происходит изменение. Всё это происходит, пока животное продолжает нормально жить: есть, двигаться и расти, а система тихо регулирует уровень белков в тканях его тела.
Новая техника работает путём присоединения к концу целевого белка дегрон-метки и последующего генетического конструирования червей для производства фермента TIR1 только в определённых тканях. Когда червей кормят пищей, содержащей ауксин, растительный гормон активирует TIR1, который распознаёт дегрон-метку и приказывает клетке удалить ровно нужное количество этого белка.
Важным нововведением стало объединение двух разных ферментов TIR1, каждый из которых активируется разным соединением ауксина. Размещая их в разных тканях, можно было независимо контролировать один и тот же белок в кишечнике червя и в его нейронах или даже контролировать два разных белка одновременно.
Исследователи также преодолели ещё одно препятствие: системы AID часто не работают в репродуктивных тканях. Команда проследила это до биологического процесса в зародышевой линии и адаптировала свою новую систему, чтобы обойти это, создав инструмент, работающий во всём теле, включая репродуктивные клетки.
"Заставить это работать было серьёзной инженерной задачей. Нам пришлось тестировать различные комбинации синтетических переключателей, чтобы найти идеальную пару, которая не мешала бы друг другу. Теперь, когда мы это сделали, мы можем одновременно контролировать два отдельных белка с невероятной точностью. Это мощный инструмент, который, мы надеемся, откроет новые возможности для биологов повсюду", — заключает доктор Джереми Висенсио, постдокторант Центра геномной регуляции и соавтор исследования.