Система экспорта синтетической РНК раскрывает динамику жизни клеток и открывает путь к новым терапевтическим стратегиям

Клетки динамично меняются со временем в процессе эмбрионального развития, старения, а также при таких заболеваниях, как воспаление и рак. Одни популяции клеток расширяются, другие сокращаются. Возможность отслеживать эти изменения во времени, не убивая измеряемые клетки, дала бы мощное понимание многих процессов.

Молекулы РНК, служащие инструкциями для создания белков, которые клетка использует для своих функций, могут дать точные подсказки о том, что происходит внутри клеток. Однако современные технологии для анализа РНК требуют уничтожения клетки: её вскрытия для сбора и анализа всех внутренних молекул. Это означает, что исследователи могут получить лишь моментальный снимок состояния клетки непосредственно перед её гибелью, а не наблюдать за её развитием и изменениями во времени.

«Чтение» РНК в клетке — полезный способ изучения биологических процессов, но «написание» или редактирование РНК внутри клетки — мощный инструмент влияния на клеточное поведение и, следовательно, лечения болезней. Например, несколько вакцин от COVID-19 работают, доставляя матричную РНК (mRNA) в клетку и индуцируя выработку антител против вируса. РНК могла бы быть полезным средством для лечения различных заболеваний, но доставка её в нужные клетки была сложной задачей.

Теперь исследователи из Caltech разработали единую систему, решающую обе задачи — «чтения» и «написания» РНК. Новая технология позволяет учёным изучать РНК в клетках с течением времени, не разрушая их, предоставляя новый способ отслеживать множество клеточных процессов — от эмбрионального развития до рака. Примечательно, что та же система также позволяет программировать клетки для доставки РНК другим клеткам, открывая возможности для целенаправленного конструирования клеточного поведения и потенциально новых терапевтических стратегий.

«В биологии существует множество процессов, в которых мы хотим знать, как клетки меняются со временем, — говорит первый автор исследования, постдок Феликс Хорнс. — Например, во время развития эмбрион превращается во множество различных тканей, меняя клеточные состояния. Многочисленные заболевания, такие как рак, — это процессы, разворачивающиеся во времени, и, конечно, старение также происходит через изменения во времени».

«РНК играет центральную роль, говоря клетке, что делать, — добавляет Хорнс. — Если мы можем измерить РНК, которую экспрессирует клетка, это позволяет нам прочитать, что она делает. Кроме того, как мы все видели за последние несколько лет на примере РНК-вакцин, мы можем вводить инструкции в клетку и программировать её действия, доставляя mRNA».

«Удивительно то, что одно и то же молекулярное устройство — наша система экспорта РНК — решает две, казалось бы, независимые задачи считывания и контроля», — говорит Майкл Эловиц, профессор биологии и биоинженерии и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза.

Исследование проводилось в основном в лаборатории Эловица и является результатом сотрудничества с лабораториями двух других профессоров Caltech: Памелы Бьоркман, профессора биологии и биоинженерии им. Дэвида Балтимора и профессора Института Меркина; и Карлоса Лойса, исследовательского профессора биологии. Статья с описанием исследования появилась в журнале Cell.

Новая система, названная COURIER (Controlled Output and Uptake of RNA for Interrogation, Expression, and Regulation), обеспечивает экспорт РНК из клеток. С помощью COURIER можно генетически модифицировать клетку так, чтобы она упаковывала часть своей собственной РНК в маленькие самоорганизующиеся белковые контейнеры, а затем «отправляла» (или секретировала) их наружу в мембраносвязанном везикуле.

Например, исследователи могут запрограммировать контейнеры на упаковку определенного типа РНК, который является признаком заболевания, или конкретной «клеточной идентификационной карты», чтобы сообщить учёным, на какую клетку они смотрят. Альтернативно, можно запрограммировать контейнеры на инкапсуляцию выборки всей РНК, присутствующей в клетке, что даст снимок её активности в целом.

В любом случае, маленькие пакеты с РНК покидают клетку, позволяя исследователям собирать и анализировать свидетельства её внутренней работы, не нарушая её. Таким образом, с помощью COURIER и экспортируемой РНК можно отслеживать, как популяции клеток меняются во времени в ходе динамических процессов, таких как рак или эмбриональное развитие.

Вторая категория применений COURIER — доставка терапевтических средств. После экспорта из клетки белковый контейнер может состыковаться с другой клеткой и доставить в неё РНК. Эта клетка затем может экспрессировать белки, закодированные этой РНК, которые могут быть разработаны для различных функций: редактирования генома, изменения состояния клетки или её уничтожения, если она находится в болезненном состоянии.

В настоящее время mRNA-вакцины от COVID-19 работают аналогично, доставляя mRNA, кодирующую фрагменты вируса SARS-CoV-2, и впоследствии индуцируя выработку антител. Доставка mRNA могла бы позволить создавать целый ряд различных типов лекарств помимо вакцин. Однако ключевой проблемой была доставка mRNA к соответствующим типам клеток.

«Живые клетки могли бы, в принципе, функционировать как программируемые средства доставки mRNA, которые доставляют терапевтическую mRNA в нужные клетки в нужных местах организма, — говорит Эловиц. — Чтобы реализовать это видение, нам нужен способ экспортировать специфические mRNA в формате, который может быть поглощён и экспрессирован другими клетками. Именно это и обеспечивает данная система. COURIER позволяет одной клетке производить mRNA, а затем инкапсулировать её в частицы, которые доставляют её другим клеткам, где она экспрессируется».