Использование света для контроля транспорта белков из клеточного ядра
Свет можно использовать для контроля транспорта белков из клеточного ядра с помощью светочувствительного, генетически модифицированного растительного белка. Биологи из Гейдельбергского университета и Немецкого центра исследования рака (DKFZ), работающие в области оптогенетики, разработали такой инструмент. Исследователи под руководством д-ра Барбары Ди Вентуры и проф. д-ра Роланда Айлса использовали методы синтетической биологии и объединили световой сенсор из овса с транспортным сигналом. Это позволяет с помощью внешнего света точно контролировать локализацию и, следовательно, активность белков в клетках млекопитающих. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Эукариотические клетки характеризуются пространственным разделением ядра и остальной части клетки. «Это разделение защищает механизмы копирования и считывания генетической информации от нарушений, вызванных другими клеточными процессами, такими как синтез белка или производство энергии», — объясняет проф. Айлс. Белки и другие макромолекулы проходят через ядерный поровый комплекс в ядро и из него, чтобы контролировать ряд биологических процессов.
В то время как более мелкие белки пассивно диффундируют через ядерные поры, более крупные частицы должны связываться с так называемыми белками-переносчиками. Обычно короткие пептиды на поверхности белка сигнализируют переносчикам, что белок готов к транспорту. Этот сигнал известен как сигнал ядерной локализации (NLS) для транспорта в ядро и сигнал ядерного экспорта (NES) для транспорта из ядра. «Искусственная индукция импорта или экспорта выбранных белков позволила бы нам контролировать их активность в живой клетке», — говорит д-р Ди Вентура.
Лаборатория Ди Вентуры специализируется на оптогенетике — относительно новом направлении исследований в синтетической биологии. Оптогенетика сочетает методы оптики и генетики с целью использования света для включения и выключения определенных функций в живых клетках. Для этого светочувствительные белки генетически модифицируют, а затем вводят в определенные клетки-мишени, что позволяет контролировать их поведение с помощью света.
Представленная работа, описывающая оптогенетическую систему экспорта, основана на предыдущих исследованиях других рабочих групп, изучающих домен LOV2, который изначально происходит из овса. В природе этот домен действует как световой сенсор и, помимо прочего, помогает растению ориентироваться на солнечный свет. Домен LOV2 фундаментально меняет свою трехмерную структуру, как только вступает в контакт с синим светом, объясняет Доминик Ниопек, ведущий автор исследования.
Свойство светоиндуцированного изменения структуры теперь можно целенаправленно использовать для синтетического контроля клеточных сигнальных последовательностей — таких как сигнал ядерного экспорта (NES). Доминик Ниопек сначала создал гибридный белок LOV2-NES, состоящий из домена LOV2 овса и синтетического сигнала ядерного экспорта. В темновом состоянии сигнал скрыт в домене LOV2 и не виден клетке. Свет вызывает изменение структуры LOV2, что делает NES видимым и запускает экспорт домена LOV2 из ядра.
«По сути, гибридный белок LOV2-NES можно присоединить к любому клеточному белку и использовать для контроля его экспорта из ядра с помощью света», — говорит проф. Айлс. Исследователь и его команда продемонстрировали это на примере белка p53 — члена семейства опухолевых супрессоров, которые контролируют рост клеток и предотвращают генетические дефекты во время деления клеток. По словам Роланда Айлса, p53 выключен в ряде агрессивных опухолей из-за вредных генетических мутаций, которые позволяют опухолевым клеткам бесконтрольно размножаться.
Используя белок LOV2-NES, исследователи из Гейдельберга смогли контролировать экспорт p53 из ядра с помощью света, чтобы управлять его ген-регуляторными функциями. «Эта новая возможность напрямую контролировать p53 в живых клетках млекопитающих имеет далеко идущий потенциал для глубокого объяснения его сложной функции. Мы надеемся обнаружить новые ключи к пониманию роли возможных дефектов в регуляции p53, связанных с развитием рака», — говорит д-р Ди Вентура.
Исследователи убеждены, что их новый оптогенетический инструмент также можно использовать для важных открытий в области динамики транспорта белков и его влияния на поведение клеток. «Наши исследования настолько же хороши, насколько хороши наши инструменты, — говорит проф. Айлс. — Поэтому разработка инновационных молекулярных инструментов является ключом к пониманию основных клеточных функций, а также механизмов, вызывающих заболевание».