Et spil pool i den levende celle

Celler skal reagere på miljøændringer og opretholde et afbalanceret system af signaleringskaskader i cellen. Proteiner uden for cellen, på celleoverfladen, inde i cellemembranen, og i celleorkestret mange finjusterede signalveje, som resulterer i reaktioner på miljøforhold eller ændringer i selve organismen. Den rumlige og tidsmæssige organisering af cellulære processer som cellesignalering, cellepolarisering og neuritudvækst er ofte reguleret af den subcellulære fordeling af molekyler eller organeller.

Individuelle proteiner kan udføre forskellige funktioner, når de er placeret på forskellige subcellulære steder. Et eksempel er Rac1 protein, som styrer formen af ​​cellens skelet ved den intracellulære plasmamembran, men når det lokaliseres i kernen, det regulerer nuklear morfologi. Den nukleocytoplasmatiske shuttling af Rac1 spiller en vigtig rolle i tumorinvasion. I neuroner, den tovejs transport langs axonale mikrotubuli spiller en kritisk rolle i den korrekte subcellulære fordeling af organeller. Dens fejlregulering er involveret i neurodegenerative sygdomme. Imidlertid, analyse af komplekse processer, der involverer cykling, trafficking eller shuttling af signalmolekyler/organeller mellem cellekompartmenter er fortsat en stor udfordring.

Gruppen af ​​Yaowen Wu, professor ved Institut for Kemi ved Umeå Universitet, har nu udviklet en ny teknologi kaldet Multi-directional Activity Control (MAC), hvilket gør levende studier af cellesignaleringsprocesser mulige. Forskerne er pionerer i at udvikle metoder til realtidsobservation af cellulære mekanismer under kontrollerede forhold. De brugte en fotoaktiverbar, dobbelt-kemisk induceret dimerisering (pdCID) system til at kontrollere placeringen af ​​organeller og proteiner på flere steder i en enkelt celle. Dette system kombinerer to kemiske reaktioner, der danner proteindimerer i en enkelt celle. En af dem kunne styres af lys.

"Vi viste, at vores fotoaktiverbare og kemisk inducerede dimeriseringssystem kunne bruges til at kontrollere funktionen af ​​cellulære organeller og cellulære signalveje i en enkelt celle på et finjusteret og flerlagsniveau, hvilket ikke var muligt med eksisterende metoder før. Vi kombinerede to modulære systemer på en parallel eller konkurrencedygtig måde for at muliggøre multi-direktionel kontrol over protein- eller organelaktivitet af små molekyler og lys, " siger Yaowen Wu, som netop er ved at indrette sit nye laboratorium i det nordlige Sverige.

Forskergruppen viste også, at den nye teknologi muliggør meget hurtig induktion og observationer af forskellige cellulære reaktioner, og muliggør nye forstyrrelsesundersøgelser, der ikke var mulige ved brug af traditionelle genetiske tilgange.

Ved at bruge denne metode, forskerne drev flere cyklusser af Rac1-shuttling mellem cytosolen, plasmamembran og kerne i en enkelt celle. De kunne kontrollere transporten af ​​peroxisomer (en cellulær organel involveret i oxidation af molekyler) i to retninger, dvs. til celleperiferien og derefter til cellelegemet, og omvendt. Det er som at spille et spil pool i cellen, men i mikrometer skala.

MAC-tilgangen kunne også bruges til at efterligne eller interferere med sygdomstilstande, der involverer protein/organel-positionering for at studere patogene mekanismer, og i sidste ende hjælpe med udviklingen af ​​deres terapeutiske intervention. Undersøgelsen er publiceret i Angewandte Chemie .