В исследовании, опубликованном в августе. 18 и появившись в сент. 18 печатное издание журнала Nucleic Acids Research, исследователи продемонстрировали, что большинство колебаний в экспрессии генов между идентичными клетками происходит на первом этапе производства белка, называемом транскрипцией.
Понимание того, почему и как возникают такие флуктуации или клеточный шум, является фундаментальной проблемой биоинженерии, – сказал доктор. Леонидас Блерис, доцент кафедры биоинженерии в Школе инженерии и информатики Эрика Йонссона и научный сотрудник Сесил Х. и Ида Грин, профессор системной биологии.
"Стремление понять клеточный шум вызвано в первую очередь нашим интересом к применению инженерии в биологии. Перефразируя [физика] Ричарда Фейнмана, понимая, мы сможем создавать », – сказал Блерис, автор исследования. «Мы заинтересованы в применении контроля в ячейках для достижения желаемых целей.
Области применения варьируются от сложной генной терапии до инженерных путей для получения ценных соединений."
Почти каждая клетка в организме человека содержит одну и ту же ДНК, главный набор генетических инструкций для создания сложных белков, которые выполняют большую часть биологической работы. Сегменты ДНК, называемые генами, кодируют определенные белки. Но количество белка, производимого данным геном, называемое экспрессией гена, может варьироваться не только у разных людей, но и среди идентичных клеток одного и того же человека.
Это колебание в экспрессии генов между идентичными клетками называется клеточным шумом.
Используя комбинацию экспериментов и теории, Блерис и его коллеги проанализировали каждую стадию процесса преобразования информации в ДНК в белки, процесс, называемый центральной догмой молекулярной биологии.
Процесс начинается с транскрипции гена, при котором информация в ДНК копируется в родственный генетический материал, называемый РНК.
Затем клетка использует информацию в РНК для создания белков.
Чтобы понять источник клеточного шума, исследователи из Bleris Lab разработали специальные генетические схемы, синтетический биологический подход, который позволил команде изолировать каждый этап стандартного процесса производства белка.
Затем команда использовала инструмент редактирования генов CRISPR, чтобы хирургическим путем вставить отдельные копии этих цепей в заранее определенное место генома в клетках человека. Эта комбинация синтетической биологии и редактирования генома позволила команде проанализировать колебания в клетках на разных этапах процесса производства белка и определить транскрипцию как источник шума.
Нобелевская премия по химии 2020 г. присуждена окт. От семи до двух ученых, которые разработали генетические ножницы CRISPR / Cas9 – доктор.
Эммануэль Шарпантье, директор отделения Макса Планка по науке о патогенных микроорганизмах в Берлине, и д-р. Дженнифер Доудна, биохимик из Калифорнийского университета в Беркли и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза.
По словам Блерис, понимание различий в поведении генетически идентичных клеток может помочь ученым разработать более эффективные целевые методы лечения.
«В конце концов, когда мы лучше поймем, как наши гены действуют в их внутренне изменчивой среде, мы сможем разработать более сложный класс генной терапии, которая сможет более адекватно лечить болезни, от которых страдает человечество», – сказал Тайлер Куартон, доктор философии.
19, один из ведущих авторов исследования.
Исследование также вызывает вопросы для дальнейшего изучения.
«Понимание источников шума открывает путь для новых вопросов: какова биологическая функция шума?? Шум используется клетками для внесения разнообразия, или это просто неприятность??"объяснил Таэк Кан, докторант биомедицинской инженерии, аспирант Юджина Макдермотта и со-ведущий автор.
В команду также вошли Василиос Папакис BS’20; Хай Нгуен, старший специалист по биомедицинской инженерии; Чанс Новак, докторант молекулярной и клеточной биологии; и доктор. Йи Ли, ученый-исследователь в области биоинженерии.
Исследование было поддержано Национальным научным фондом, включая награду Bleris NSF Faculty Early Career Development (CAREER).