Создание основы для внутриклеточных вычислений млекопитающих с помощью переключателей мРНК.
Профессор Хирохиде Сайто и его исследовательская группа разработали новый подход к контролю трансляции мРНК с использованием белков Cas, тем самым расширив разнообразие переключателей мРНК и упростив создание синтетических генных цепей в клетках млекопитающих. Результаты этого исследования были опубликованы в Nature Communications 19 апреля 2023 года.
Технологии клеточных вычислений, которые обеспечивают точное компьютерное управление клеточными функциями и судьбой, изучаются в области синтетической биологии. Программируя паттерны экспрессии генов по желанию, исследователи могут значительно углубить наше понимание различных биологических процессов и создать новые медицинские методы лечения. В будущем эта технология может помочь повысить терапевтическую эффективность и уменьшить побочные эффекты при открытии лекарств , разработке вакцин, трансплантации клеток и других формах лечения.
Для создания таких точных систем управления необходимо сконструировать сложные схемы, обрабатывающие информацию подобно компьютеру в живых клетках, что, в свою очередь, требует использования искусственных генетических схем, основанных на строительных блоках живых систем, таких как ДНК, РНК , и белки. Однако доступность компонентов, поддающихся контролю со стороны ученых, была ограничивающим фактором для точного программирования клеточного поведения.
Недавно исследователи начали использовать силу РНК-связывающих белков (RBP) в качестве регуляторов трансляции. Однако этому подходу препятствует ограниченное количество RBP, способных регулировать трансляцию, особенно тех, которые обладают мультиплексной совместимостью, чтобы полностью использовать их для построения посттранскрипционных синтетических биологических цепей для фундаментальных исследований и клинических применений.
Чтобы расширить список RBP, доступных в качестве регуляторов трансляции, Сайто и его группа использовали способность белков CRISPR-Cas распознавать специфические последовательности sgRNA (одиночная направляющая РНК), вставляя их в 5′-UTR (нетранслируемую область) мРНК-мишени. который кодирует продукт репортерного гена (переключатель).
В отсутствие соответствующего белка Cas (триггера) продукт репортерного гена беспрепятственно транслируется, что означает, что переключатель находится в состоянии ON. Однако, если клетки экспрессируют белок Cas, он связывается с мРНК-мишенью через последовательность sgRNA и блокирует трансляцию продукта репортерного гена, тем самым переводя переключатель в положение OFF (переключатель OFF: состояние ON → состояние OFF). Включив в систему так называемый модуль «переключатель-инвертор», команда может преобразовать эти выключатели OFF в выключатели ON (состояние OFF → состояние ON).
Исследовательская группа назвала эту систему регуляции трансляции CARTRIDGE (Cas-отзывчивая трансляционная регуляция, интегрируемая в управление разнообразными генами), поскольку они успешно использовали биоинженерные технологии для контроля Cas-белков, такие как расщепленная Cas-система и анти-CRISPR-белки, для манипулирования трансляцией множество различных переключателей мРНК.
Кроме того, группа протестировала 25 типов белков Cas и обнаружила, что 20 белков могут подавлять трансляцию, а 13 белков взаимодействуют только со своими специфическими аналогами мРНК, что имеет решающее значение при использовании их в комбинации для создания искусственных генетических цепей. Следовательно, этот метод значительно увеличил разнообразие доступных переключателей мРНК.
С помощью этого обширного набора инструментов ученые построили различные сложные искусственные схемы, такие как трансляционная логика И вентили и многоуровневые каскады. Они также разработали сложную арифметическую схему полувычитателя в клетках млекопитающих , используя как транскрипционный, так и трансляционный контроль с помощью белков Cas.
Значительно расширив набор молекулярных инструментов, доступных для регуляции трансляции, исследовательская группа надеется, что эта работа вдохновит не только приложения синтетической биологии на основе РНК и RBP, но и будет способствовать будущему развитию технологий редактирования генома и исследований CRISPR, на которых был построен CARTRIDGE.
