Используя эту технику, команда ученых UNC вытеснила белки из ядра клетки в цитоплазму, где они больше не могли выполнять свою работу. Затем исследователи наблюдали в режиме реального времени, как ячейка реагирует на нехватку персонала; команда обнаружила, что полученные в результате клеточные процессы были более динамичными, чем ожидалось ранее.
Результаты, опубликованные в журнале Nature Chemical Biology, демонстрируют ценность новых исследовательских подходов, которые могут быстро исследовать функцию генов и белков.
«К тому времени, когда вы получите в руки мышь с нокаутом по определенному гену или белку, клетки, у которых был этот белок, уже адаптировались к своим новым обстоятельствам, когда один из его генов был удален; все изменилось», – сказал старший автор Брайан Кульман, доктор биологических наук, профессор биохимии и биофизики. "Используя свет, мы можем мгновенно деактивировать белок.
Мы можем сделать это в конкретном типе клетки, в конкретный момент развития. Это может дать нам разрешение, необходимое для того, чтобы по-настоящему понять функцию того или иного белка."
Обычно, когда ученые хотят узнать о биологической системе (клетке, органе или животном), они вносят изменения, а затем наблюдают, что происходит. В биологии это часто достигается «нокаутированием» или удалением определенного гена.
Например, исследователь, заинтересованный в том, важен ли белок при раке, может удалить ген этого белка и посмотреть, как он влияет на образование опухоли. Одна из проблем этого метода заключается в том, что он создает постоянное изменение, и поэтому у биологической системы есть шанс компенсировать это до того, как кто-либо сможет ее изучить.
Кульман и его коллеги хотели разработать стратегию, которая позволила бы ученым быстро активировать (или инактивировать) белок с точностью лазеров.
Этот подход является частью развивающейся дисциплины, называемой оптогенетикой, где лучи света могут действовать как струны кукольника, управляя действиями внутри клеток. В этом исследовании исследователи решили использовать оптогенетику для контроля активности белков, контролируя их местоположение.
Они начали с растительного белка AsLOV2, который меняет свою форму в ответ на свет.
Исследователи прикрепили короткую аминокислотную последовательность к белку AsLOV2; эта последовательность отметила белок для цитоплазмы. В темноте этот ядерный экспортный сигнал оставался плотно запертым в своей "фотокартеже"."Но когда он был залит синим светом, он высвободился и отправил белки из ядра.
Ведущий автор исследования Хайретин Юмерефенди, доктор философии, научный сотрудник лаборатории Кульмана, слил эту конструкцию с флуоресцентным белком, а затем экспрессировал эти белковые химеры в клетках мыши. Когда он впервые взглянул на клетки под микроскопом, он увидел крошечные красные флуоресцентные шары, скопившиеся внутри ядра.
После воздействия на клетки света определенной длины волны он обнаружил, что красные точки попали в цитоплазму.
Затем Юмерефенди встроила эти переключатели света в два белка, называемые LexA и Bre1, которые действуют на ДНК и, таким образом, обычно находятся в ядре. В обоих случаях он обнаружил, что белки попали в цитоплазму после фотоактивации.
Более того, он показал, что этот шаг сопровождался потерей активности белка. Юмерефенди и его коллеги были удивлены, узнав, что клетки быстро адаптировались к своей новой норме. Например, они обнаружили, что химические метки, которые Bre1 прикрепляет к ДНК, исчезли за считанные минуты, когда Bre1 был удален светом.
«Одним из ключевых открытий, которые мы сделали, было то, что эти клеточные процессы, которые считались относительно медленными, на самом деле довольно динамичны», – сказал Юмерефенди. "Они происходят в сроки, которые в 30 раз быстрее, чем считалось ранее.
Наше открытие подчеркивает важность разработки новых способов наблюдения за биологическими событиями в реальном времени."
Белки могут играть разные роли на разных этапах развития, в разных частях организма и во время различных болезненных состояний.
Поэтому исследователи планируют применить свой новый оптогенетический инструмент для изучения функции различных белков и изучения того, как «поведение» этих белков меняется в зависимости от времени и пространства.