Stærke signaler viser, hvordan proteiner kommer og går

Et nyt system til at forstærke genekspressionssignaler kan være en game-changer for forskere, der studerer de regulatoriske processer i celler, der er centrale i alt liv.

Rice University lab af bioscientist Laura Segatori har udviklet en alsidig gensignalforstærker, der kan gøre et bedre stykke arbejde med at opdage ekspression af målgener end nuværende metoder.

Ultimativt, forskerne håber, at to-modulssystemet vil forenkle diagnosen af ​​sygdomme som Alzheimers, diabetes og nogle kræftformer præget af karakteristiske mønstre af proteinekspression. De sagde, at det også kunne muliggøre cellebaserede terapier, hvorved syge celler kunne lave deres egen medicin, når det var nødvendigt.

Deres arbejde er beskrevet i Naturens kemiske biologi .

Det første modul er en del af en streng af syntetisk genetisk kode tilføjet til DNA'et i en pattedyrscelle via CRISPR-Cas9-redigering. Når den er integreret ved siden af ​​et målgen, koden muliggør et genetisk kredsløb, der overvåger genet og, når genet producerer et protein, kredsløbet udsender også et grønt fluorescerende protein (GFP). Kredsløbet er designet til at forstærke GFP -signalet og muliggøre påvisning af meget små ændringer i målgenet, som ikke altid er mulige med nuværende værktøjer.

Når genet er inaktivt, det andet modul baseret på et antistof, der først blev fundet i kameler, stopper produktionen af ​​det fluorescerende protein og nedbryder alle GFP'er i nærheden. Kombinationen giver forskere et stærkt "on-off" signal, der også er følsomt over for dynamikken i udtrykket af målgenet. Når genekspression stiger, kredsløbet aktiverer ekspression af GFP og hæmmer samtidig ekspression af negative regulatorer af GFP, såsom nanobody.

"At kunne overvåge genekspression med høj følsomhed er virkelig vigtigt for en række forskellige biomedicinske applikationer, "Segatori sagde." Det er vigtigt at have et detektionssystem, der er følsomt over for selv små ændringer i genekspression, som ofte er biologisk relevante. Det er også afgørende for et detektionssystem, der giver god dynamisk opløsning, så vi kan følge dynamikken i genekspression, som typisk er en afgørende faktor for celleadfærd.

"Det er hvad vores gensignalforstærker i det væsentlige gør, "sagde hun." Vi udviklede et genetisk kredsløb, der, først og fremmest, vi kan linke til ethvert gen i kromosomet, derved genererer et værktøj, der sammenfatter den kromosomale kontekst med al den tilhørende kompleksitet af regulering. Vi har ikke nogen form for ekstrakromosomale journalister. Denne tilgang giver en følsom måde at overvåge alle de regulatoriske og epigenetiske mekanismer, der regulerer genekspression.

"Derefter udviklede vi en metode til at forstærke signalet, så vi kan overvåge virkelig små ændringer i udtrykket, "sagde hun." Det er meget robust og stabilt og har en høj dynamisk opløsning. "

Systemet kan tilpasses til potentielt at overvåge ethvert cellulært gen, Sagde Segatori. "Vi kan oprette multipleksreportersystemer til overvågning af grupper af gener, der er relevante for udviklingen af ​​en bestemt sygdom, eller som giver en omfattende aflæsning af en bestemt signalvej eller fænotype, " hun sagde.

Teamet demonstrerede metoden på en række forskellige celler og genererede en multiplexreporter til at overvåge markører forbundet med tre signalveje, der reagerer på stress i en pattedyrscelles endoplasmatiske nethinde. De fandt kredsløbet forbedret det fluorescerende signal nok til at detektere selv små ændringer i udtrykket.

Det andet modul, et NanoDeg kredsløb introduceret af Rice lab i 2017, er en efter-oversættelseskontrol, der giver systemet sit brede dynamiske område, Sagde Segatori. "Under basale forhold, kredsløbet udtrykker ikke kun en transkriptionel regulator, der hæmmer ekspression af GFP, men også NanoDeg -molekyler, der nedbryder enhver GFP, der er til stede i systemet, så cellen bliver helt mørk, "sagde hun." Og vi kan indstille systemet til at tilpasse det til påvisning af gener med forskellige basale udtryk ved hjælp af passende doser af inducere af kredsløbskomponenterne. "

Eksperimenter bekræftede, at integrering af systemet i cellens kromosom ikke påvirker ekspressionen af ​​målgener.

Som en del af undersøgelsen, laboratoriet udviklede også en matematisk model, forskere kan bruge til at tilpasse forstærkerplatformen til at overvåge ethvert målgen og forudsige de optimale doser af småmolekyleinduktorer, der bruges til at regulere genekspression.

Segatori og hendes team arbejder på at forbedre platformen, primært udviklet af Rice -kandidatstuderende og hovedforfatter Carlos Origel Marmolejo, at behandle sygdom.

"Der er i øjeblikket en stor interesse i at udvikle celleterapier, der er feedback-responsive, "Segatori sagde." Vores platform kunne muliggøre produktion af terapeutika som reaktion på påvisning af genekspressionssignaturer, der er relevante for en bestemt sygdom eller miljøtilstand. "