Регуляция транскрипции генов с помощью света
Исследователи под руководством Мустафы Хаммаша разработали метод, использующий синий свет для контроля транскрипции ДНК в РНК в отдельных клетках. Технология также может применяться в тканевой инженерии и исследованиях стволовых клеток.
Транскрипция — это фундаментальный биологический процесс копирования гена в молекулу РНК с участием белков, включая факторы транскрипции и молекулярную машину РНК-полимеразу.
Для начала транскрипции факторы транскрипции должны сначала связаться с определённым участком ДНК. Это запускает процессы, ведущие к присоединению РНК-полимеразы к ДНК. Затем этот белковый комплекс раскручивает двойную спираль, чтобы считать последовательность гена и скопировать её в молекулу РНК. Матричная РНК (mRNA) — это транспортабельная копия гена, служащая шаблоном для синтеза белка.
Несмотря на строгую регуляцию, результат транскрипции часто демонстрирует высокую вариабельность между клетками. Это частично связано со случайными столкновениями молекул, например, факторов транскрипции и специфической последовательности ДНК. Понимание источников этой вариабельности и усиление контроля над процессом транскрипции — важная исследовательская цель.
Группа под руководством профессора Мустафы Хаммаша нашла новый способ контролировать инициацию транскрипции и регулировать количество образующихся молекул РНК с помощью оптогенетической платформы. Это позволяет снизить вариабельность между клетками и получить новые данные о динамике транскрипции. Результаты были представлены в журнале Molecular Cell.
Индивидуальная обратная связь и регуляция
Платформа позволяет исследователям освещать отдельные клетки дрожжей синим светом с разной продолжительностью и интенсивностью. Путём введения чужеродных генов эти клетки были генетически модифицированы, чтобы активировать фактор транскрипции в ответ на свет и стимулировать транскрипцию определённого гена. Транскрипты этого гена (mRNA) помечены флуоресцентными белками, что приводит к появлению ярких флуоресцентных пятен при активной транскрипции.
Эти пятна можно визуализировать и оценивать с помощью флуоресцентной микроскопии. Исследователи связали эту систему с компьютером, который подсчитывает, сколько молекул РНК транскрибируется в данный момент, и определяет количество света, которое должна получить каждая клетка для регуляции её транскрипции согласно заданным параметрам.
Новые данные о динамике транскрипции
"Благодаря этой установке мы смогли показать, что активация и деактивация транскрипции происходят очень быстро", — говорит профессор Хаммаш. Его команда также установила, что транскрипция происходит всплесками, длительность и время которых модулируются активностью факторов транскрипции. Благодаря механизму обратной связи исследователям удалось уменьшить различия в результатах транскрипции между разными клетками.
В качестве теста (и для празднования 10-летия департамента) исследователи спроецировали синим светом цифру 10 на клетки дрожжей. В ответ на свет в освещённых клетках инициировалась транскрипция, что привело к образованию ярких флуоресцентных пятен в нужных позициях.
Динамические сигналы снижают вариабельность
Описанный метод контроля имеет ограничение: его можно использовать только под микроскопом, но не в пробирках или биореакторах, где он был бы нужен для управления биотехнологическими процессами.
Чтобы преодолеть это ограничение, исследователи обратились к динамической сигнализации. В отличие от обычных методов контроля активности генов, использование света позволяет управлять клетками с помощью сложных динамических сигналов. Сравнивая разные типы сигналов, исследователи в исследовании, опубликованном в Nature Communications, наблюдали, что отдельные клетки реагируют на пульсирующие сигналы с большей точностью, чем на постоянные. Это позволяет лучше контролировать большие популяции клеток простым способом. Кроме того, результаты указывают на возможную стратегию регуляции вариабельности в естественных клеточных популяциях.
Хаммаш доволен успехом проектов. Он и его коллеги начали это исследование из чистого любопытства, без конкретных приложений. "Мы хотели, прежде всего, выяснить, можем ли мы контролировать случайный элемент процесса транскрипции", — сказал он. "Это был настоящий технический вызов".
Теперь он считает, что его платформа может стать золотой жилой для последующих исследований. По его словам, может быть много различных применений, особенно в исследованиях, где важен контроль транскрипции. Например, можно будет быстрее разрабатывать прототипы генетических сетей, поскольку межклеточная коммуникация может контролироваться извне и больше не будет зависеть от сигнальных молекул. "Платформа также может стать важным инструментом для тканевой инженерии и исследований стволовых клеток". Исследователи рассмотрят эти применения своей платформы в ближайшие годы и уже получили финансирование от программы EU FET open для этой цели.