Новый метод позволяет определить, что клетка делала несколько дней назад

Фото из открытых источников

Многие биологические молекулы недолговечны и эфемерны. Теперь исследователи из ETH Zurich разработали функцию архивирования, которая впервые позволяет им заглянуть в прошлое клетки. Это может позволить ученым разобраться в механизмах образования раковых клеток.

Информация о том, что клетка делала несколько часов или дней назад, как правило, недоступна исследователям, которые могут измерить только ее текущее состояние. Это проблема, если цель состоит в том, чтобы понять, как возникают иммунные реакции или почему отдельные раковые клетки выживают после лечения.

Знание того, какие гены в клетке активны, особенно важно, поскольку это дает ученым ключевое представление о том, как работают клетки и организм в целом. С этой целью они измеряют молекулы РНК — транскрипты активных генов, но они дают лишь моментальный снимок. Однако это означает, что исследователи могут регистрировать активность генов только в момент измерения. Более того, каждую клетку можно измерить только один раз, поскольку клетка разрушается при сборе и измерении РНК.

Теперь исследователи из Департамента биосистемных наук и инженерии Цюрихского технологического института в Базеле разработали метод, позволяющий архивировать молекулы РНК в клетках. Впервые это позволяет им изучать не только текущее состояние клетки, но и восстанавливать, какие гены были активны в прошлом.

«Среди прочих причин, этот взгляд в прошлое интересен тем, что он рассказывает о кратковременных реакциях клетки, которых существует множество. Иммунные и стрессовые реакции — лишь несколько примеров», — объясняет Кристофер Рейнкемайер, научный сотрудник группы под руководством профессора ETH Рэндалла Платта. В этих кратковременных реакциях внешний стимул активирует определенные гены. Как только стимул проходит, клетка снова отключает эти гены.

В рамках исследования ученые из Базеля показали, как клетки человека в клеточной культуре реагируют на сигнальную молекулу иммунной системы. «Если проводить измерения слишком поздно с помощью традиционного метода, то уже не видно, что реакция вообще произошла», — говорит Маркос Манеро Карранса, аспирант в группе Платта и соавтор исследования вместе с Райнкемайером.

Для создания архива РНК внутри клеток исследователям необходимо захватить молекулы РНК и защитить их от естественного разрушения. Это связано с тем, что молекулы такого типа обычно не предназначены для длительного сохранения.

В частности, ученые добиваются этого, используя белок, который естественным образом присутствует в стрессовых гранулах — скоплениях РНК, образующихся в клетках в условиях стресса, например, во время инфекции. В таких ситуациях клетка временно приостанавливает часть своего метаболизма и сохраняет молекулы РНК для последующего использования.

Исследователи взяли этот белок стрессовых гранул и два других белка и оптимизировали их с помощью биотехнологий. Таким образом, они создали систему, которая концентрирует молекулы РНК клетки в пленке вокруг митохондрий клетки, где она защищает молекулы от естественных ферментов в клетках, расщепляющих РНК. Исследователи вводят схемы трех оптимизированных белков в клетки с помощью плазмидов, после чего клетки собирают систему архивирования внутри себя. Это позволяет архивировать несколько тысяч молекул РНК в течение нескольких дней для каждой клетки.

Новый метод может быть использован для обнаружения редких событий в клетках, что особенно полезно, если исследователи узнают, какие клетки представляют для них интерес, только ретроспективно. В таких случаях они могут выбрать эти клетки, а затем использовать архив РНК для исследования того, какие гены ранее были активны в них.

Исследователи подали заявку на патент на новую технологию и хотят продолжить ее разработку с целью будущего применения в исследованиях на животных и в изучении рака.

Одной из потенциальных областей применения являются опухолевые клетки, пережившие курс химиотерапии. Такие клетки впоследствии могут способствовать рецидиву рака. В настоящее время очень сложно исследовать, какие клетки переживут лечение и как они развивались ранее.

«Какие именно клетки превратятся в персистирующие клетки, заранее неизвестно и плохо изучено», — говорит Райнкемайер. «Если мы сможем использовать нашу систему в исследованиях рака, мы сможем изолировать персистирующие клетки и изучить их прошлое. Это позволит нам исследовать, как эти клетки формируются и развиваются, и может проложить путь к решающим достижениям в исследованиях рака».