По словам исследователей, эту систему можно настроить для обнаружения любой последовательности ДНК в клетке млекопитающего, а затем вызвать желаемый ответ, включая уничтожение раковых клеток или клеток, инфицированных вирусом.
«Есть ряд приложений, для которых это может быть важно», – говорит Джеймс Коллинз, профессор медицинской инженерии и естественных наук Термира в Департаменте биологической инженерии Массачусетского технологического института и Институте медицинской инженерии и науки (IMES). «Это позволяет вам легко создавать конструкции, которые позволяют запрограммированной клетке как обнаруживать ДНК, так и действовать в соответствии с этим обнаружением, с системой отчетов и / или системой реагирования."
Коллинз – старший автор сентябрьского. 21 документ Nature Methods с описанием технологии, основанной на типе ДНК-связывающих белков, известных как цинковые пальцы.
Эти белки могут быть разработаны для распознавания любой последовательности ДНК.
«Существуют технологии, позволяющие создавать белки для связывания практически с любой последовательностью ДНК, которая вам нужна», – говорит Шимин Сломович, постдок IMES и ведущий автор статьи. "Это используется по-разному, но не только для обнаружения. Мы чувствовали, что использование этой разрабатываемой технологии связывания ДНК для обнаружения имеет большой потенциал."
Смысл и ответ
Чтобы создать свою новую систему, исследователям нужно было связать ДНК-связывающую способность цинковых пальцев со следствием – либо включение флуоресцентного белка, чтобы выявить присутствие целевой ДНК, либо создание другого типа действия внутри клетки.
Исследователи достигли этого, используя тип белка, известный как «интеин» – короткий белок, который можно вставить в более крупный белок, разделив его на две части. Расщепленные части белка, известные как «экстеины», становятся функциональными только после того, как интеин удаляется при воссоединении двух половин.
Коллинз и Сломович решили разделить интеин на две части, а затем присоединить каждую часть к разделенной половине экстеина и белку цинкового пальца. Белки с цинковыми пальцами сконструированы так, чтобы распознавать соседние последовательности ДНК в целевом гене, поэтому, если они оба находят свои последовательности, интеины выстраиваются в линию, а затем вырезаются, позволяя половинкам extein воссоединиться и образовать функциональный белок. Белок extein – это фактор транскрипции, предназначенный для включения любого гена, который хотят исследователи.
В этой статье они связали производство зеленого флуоресцентного белка (GFP) с распознаванием цинковыми пальцами последовательности ДНК аденовируса, так что любая клетка, инфицированная этим вирусом, будет светиться зеленым.
Такой подход можно использовать не только для выявления инфицированных клеток, но и для их уничтожения. Для этого исследователи могут запрограммировать систему на производство белков, которые предупреждают иммунные клетки о борьбе с инфекцией, вместо GFP.
«Поскольку это модульная конструкция, вы потенциально можете вызвать любой ответ, который захотите», – говорит Сломович. "Вы можете запрограммировать клетку так, чтобы она убивала себя или выделяла белки, которые позволили бы иммунной системе идентифицировать ее как вражескую клетку, чтобы иммунная система позаботилась о ней."
Исследователи Массачусетского технологического института также применили эту систему для уничтожения клеток, связав обнаружение ДНК-мишени с производством фермента под названием NTR. Этот фермент активирует безвредный прекурсор лекарства под названием CB 1954, который исследователи добавили в чашку Петри, где росли клетки. При активации NTR CB 1954 убивает клетки.
Будущие версии системы могут быть разработаны так, чтобы связываться с последовательностями ДНК, обнаруженными в раковых генах, а затем производить факторы транскрипции, которые активируют собственные запрограммированные пути клеточной смерти.
Инструмент исследования
В настоящее время исследователи адаптируют эту систему для обнаружения латентных провирусов ВИЧ, которые остаются в спящем состоянии в некоторых инфицированных клетках даже после лечения.
Узнав больше о таких вирусах, ученые могут найти способы навсегда избавиться от них.
«Скрытый провирус ВИЧ – это в значительной степени последний барьер на пути к излечению СПИДа, который в настоящее время неизлечим просто потому, что последовательность провируса существует, бездействует, и нет никаких способов ее искоренить», – говорит Сломович.
По словам Коллинза, хотя лечение болезней с помощью этой системы, вероятно, произойдет через много лет, ее можно было бы использовать гораздо раньше в качестве исследовательского инструмента. Например, ученые могут использовать его, чтобы проверить, был ли генетический материал успешно доставлен в клетки, которые ученые пытаются генетически изменить. Клетки, которые не получили новый ген, могут быть индуцированы к гибели клеток, создавая чистую популяцию желаемых клеток.
Его также можно использовать для изучения хромосомных инверсий и транспозиций, которые происходят в раковых клетках, или для изучения трехмерной структуры нормальных хромосом, проверяя, расположены ли два гена далеко друг от друга в хромосомной складке таким образом, что они в конечном итоге рядом друг с другом, говорят исследователи.