Ученые превратили структуры клеток в шпионов, следящих за генной активностью

Фото из открытых источников

Бочкообразные структуры, обнаруживаемые тысячами в большинстве клеток животных, являются одной из самых больших загадок биологии. Но хотя исследователи еще не выяснили функцию этих «хранилищ», они теперь сообщают о новом применении этих загадочных частиц. Команда разработала хранилища, способные собирать РНК и записывать почти всю генную активность в группах клеток в течение до 7 дней, что дает беспрецедентную возможность заглянуть в их прошлое.

Новый метод, описанный в журнале Science, является «сверхмощным» и «очень инновационной идеей», — говорит химик Цзяхуэй (Крис) Ву из Массачусетского университета в Амхерсте. Он и другие исследователи предполагают, что он может помочь в изучении клеточных процессов, происходящих со временем, например, почему некоторые опухолевые клетки становятся устойчивыми к противораковым препаратам. «Это так круто, — добавляет генетик из Вашингтонского университета Джей Шендур. — Вы создаёте хранилища, то, что мы едва понимаем, [для отслеживания РНК]. Мне нравится использование чего-то эндогенного и загадочного».

Существующие методы регистрации генной активности клеток имеют ограничения — например, отслеживание только одного или нескольких генов или фиксация только тех генов, которые активны непосредственно в момент вскрытия клеток. Фэй Чен из Института Броуда решил разработать более простой и полный метод отслеживания генной активности в течение нескольких дней. Идея заключалась в том, чтобы захватывать матричные РНК (мРНК), инструкции по синтезу белков, создаваемые работающими генами, и хранить их для последующего считывания.

Незащищенные мРНК обычно разрушаются в течение нескольких минут или часов. Чтобы регистрировать активность генов в течение более длительного периода, команда Чена попыталась связать белок, связывающий поли(А) (PABP), который клетки естественным образом прикрепляют к одному концу мРНК, с более стабильными молекулами, которые могли бы защитить нити. Сначала они попытались связать PABP с бактериальными белками, но система не сработала. Затем Ю-Кай (Кевин) Чао из Института Броуда, возглавлявший проект, предложил использовать хранилища после прочтения статьи о Леонарде Роме, биологе из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, который в 1986 году совместно с другими исследователями открыл их и с тех пор пытается разгадать их секреты. Чен был заинтригован. В отличие от многих биологов, он действительно слышал об этих странных объектах и знал, что их свойства могут быть именно тем, что нужно лаборатории.

Вакуумные хранилища состоят из 78 копий длинной молекулы, известной как основной белок вакуумного хранилища (MVP), которые образуют прочную оболочку, в основном пустую внутри, за исключением РНК с неизвестной функцией и некоторых других белков, связывающихся с внутренней частью. Чтобы мРНК поместились внутри вакуумного хранилища, команда объединила ген PABP с ДНК, кодирующей субъединицу, связывающую MVP, одного из этих внутренних белков. Когда измененный ген PABP был добавлен в клетки вместе с дополнительными копиями гена MVP, захваченные мРНК оказались внутри вновь созданных вакуумных хранилищ. Чтобы определить активность генов, команда химическим путем вскрыла вакуумные хранилища и секвенировала мРНК, чтобы идентифицировать их гены-источники. «Вакуумные хранилища работали действительно хорошо», — говорит Чен, который сравнивает систему с капсулой времени и называет ее TimeVault.

Как сообщает группа Чена, метод доказал свою эффективность, подтвердив хорошо известные генетические реакции клеток на тепло и низкий уровень кислорода. Команда также использовала TimeVaults для идентификации генов, которые позволяют некоторым клеткам рака легких противостоять одобренному препарату. Добавив записывающие мРНК хранилища к раковым клеткам, а затем подвергнув клетки воздействию препарата, команда Чена точно определила защитные гены, которые были активны до лечения — предыдущие методы выявляли только гены, которые активировались в ответ на лечение. Добавление второго препарата, нацеленного на один из вновь идентифицированных генов, уничтожило большинство клеток, устойчивых к первой терапии.

Ром приятно удивлен новыми результатами работы. Он говорит, что его группа безуспешно пыталась поместить мРНК или гены в хранилища, используя другие молекулярные «крепежные элементы». «Мы пытались годами», — с сожалением говорит он.

По его мнению, разница заключается в том, что он хотел заполнить как можно больше хранилищ, чтобы доставить потенциальные вакцины или терапевтические препараты. Метод Чена, как говорит Роум, может хранить мРНК лишь в небольшом проценте хранилищ, но этого, по-видимому, достаточно, чтобы зафиксировать почти всю генную активность, особенно при изучении тысяч клеток одновременно.

В лаборатории Чена теперь планируют проверить, сможет ли система TimeVaults записывать все активные гены в одной клетке. Они также хотят внедрить гены для этой системы в мышей в надежде, что это позволит запечатлеть симфонию включения и выключения генов в живом организме.

«Эта стратегия предлагает новый вид «молекулярного селфи», — говорит Майкл Эловиц, биоинженер из Калифорнийского технологического института, чья группа разработала другие методы отслеживания активности генов. — TimeVaults представляют собой значительный шаг вперед в давнем стремлении понять клетки как динамические сущности, постоянно меняющиеся и развивающиеся с течением времени».