Syntetiske fysiologer konstruerer ny receptor slukket med grønt lys

Optogenetik, tilgangen til at bruge lys til at styre centrale processer, har revolutioneret, hvordan forskere undersøger cellulære signalveje, cellulær adfærd og funktionen af ​​store og sammenkoblede væv såsom hjernen. Denne meget vellykkede kombination af optik og genetik drives af lysfølsomme proteiner, hvoraf mange er konstrueret til at binde til hinanden ved lysstimulering. Ny forskning fra forskere ved Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) udvider denne optogenetiske proteinværktøjskasse. I undersøgelsen af ​​gruppen af ​​Harald Janovjak, drevet af første forfatter og ph.d. -studerende Stephanie Kainrath, og kolleger ved Børnekræftforskningsinstituttet i Wien, udgivet i dag i Angewandte Chemie , forfatterne demonstrerer frigivelse af binding, når de udsættes for grønt lys.

Anvendelsen af ​​lys som en stimulans har gjort det muligt for forskere at manipulere cellulær adfærd i definerede rum og i realtid og derved åbnet døre for nye typer af eksperimenter. Metoden har, imidlertid, blomstrede i de tilfælde, hvor lysfølsomme proteindele, kaldet proteindomæner, reagerede på lyset ved at binde til hinanden. Binding aktiverer signalering. For at sikre, at signalering forbliver tændt, cellerne, væv eller dyr under undersøgelse skal forblive i lyset. Men konstant udsættelse for lys medfører risici:blegning og giftige bivirkninger af lys observeres almindeligvis.

Kainrath og kolleger tilbyder en vej ud, da de omformulerede lysfølsomme domæner, der frigiver deres interaktion som reaktion på lys. Som en konsekvens, forskere kan nu efterlade deres studieobjekt i mørket for at fremkalde signalering, og flytte det til lyset på et præcist tidspunkt for at afbryde signalering. Første forfatter Stephanie Kainrath forklarer forskningens betydning:"Vores arbejde var inspireret af ønsket om at efterligne biologiske signaler, der altid er tændt, såsom dem, der driver væksten af ​​visse kræftformer. Med vores nye værktøj kan vi også hurtigt slukke sådanne signaler. Dette giver mulighed for nye tilgange i både cellebaserede og dyreforsøg. "

Det nyudviklede værktøj er særlig alsidigt, da det reagerer på lys i den grønne del af det synlige lysspektrum. Dette er muligt som de omformulerede domæner, kaldet cobalamin (vitamin B12) -bindende domæner (CBD'er), bruge vitamin B12 til deres lysrespons. Det blev først for nylig indset, at vitamin B12 ikke kun er afgørende for menneskekroppens funktion, men også bruges i bakterier som en lyssensor. Kainrath og kolleger demonstrerer brugen af ​​disse domæner ved at koble dem til et hvirveldyrreceptorprotein kaldet fibroblast vækstfaktor receptor 1 (FGFR1). Normalt når en del af disse receptorer ydersiden af ​​cellen, hvor den kan fange fibroblastvækstfaktorer, får to receptorer til at binde til hinanden og aktivere signalering på indersiden af ​​cellen. De konstruerede optogenetiske FGFR1 -proteiner binder til hinanden i mørket via CBD'erne og aktiverer signalering. Kun i grønt lys, bindingen frigives, og signalering stopper.

Eksperimenter med zebrafiskembryoner viser potentialet i denne nye tilgang til dyreforsøg. Zebrafiskembryoner modificeret til at producere den konstruerede receptor og holdt i mørket viser de samme udviklingsfejl som embryoner, hvor signalering altid er aktiv, en situation, der ligner menneskelige lidelser. Derimod, embryoner, der fik lov til at udvikle sig i grønt lys, var normale, uden udviklingsfejl. For Martin Distel, medforfatter og gruppeleder ved Børnekræftforskningsinstituttet, Wien, receptoren er et nyttigt værktøj til at håndtere onkogenafhængighed, akilleshælen for nogle kræftformer:"CBD-medieret og grønt lys-kontrolleret dissociation af proteinkomplekser er et nyttigt aktiv i den optogenetiske værktøjskasse. Til potentielle anvendelser inden for kræftforskning kan man tænke på onkogenafhængighed. Afvigende aktivering af signaler som dem, der er knyttet til FGF'er kan nu lukkes hurtigt og udefra af lys for at undersøge konsekvenserne for celleadfærd. "

Harald Janovjak og hans gruppearbejde inden for det nye felt af syntetisk fysiologi, som tackler komplekse biologiske problemer med tilgangen til at "bygge det for at forstå det". Stephanie Kainrath sluttede sig til IST Austrias ph.d. -program i 2015. Efter at have bestået sin kvalificerende eksamen i december 2016, Stephanie forfølger nu forskning til sin doktorgrad i gruppen af ​​Harald Janovjak.