Эукариотические клетки характеризуются пространственным разделением ядра клетки и остальной части клетки. «Это подразделение защищает механизмы, участвующие в копировании и считывании генетической информации, от сбоев, вызванных другими клеточными процессами, такими как синтез белка или производство энергии», — объясняет профессор Эйлс, директор центра BioQuant при Гейдельбергском университете и руководитель отдела биоинформатики в Руперто Карола и ДКФЗ. Белки и другие макромолекулы проходят через комплекс ядерных пор в ядро клетки и из него, чтобы контролировать ряд биологических процессов.В то время как более мелкие белки пассивно диффундируют через ядерные поры, более крупные частицы должны фиксироваться на так называемых белках-носителях, чтобы совершить путешествие.
Обычно короткие пептиды на поверхности белка сигнализируют носителям о том, что белок готов к транспортировке. Этот сигнал известен как сигнал ядерной локализации (NLS) для транспорта в ядро и ядерная экспортная последовательность (NES) для транспорта из ядра. «Искусственное стимулирование импорта или экспорта выбранных белков позволит нам контролировать их активность в живой клетке», — говорит доктор Ди Вентура, руководитель группы в отделении профессора Эйлса.Лаборатория Ди Вентура специализируется на оптогенетике, относительно новой области исследований в синтетической биологии. Оптогенетика сочетает в себе методы оптики и генетики с целью использования света для включения и выключения определенных функций в живых клетках.
С этой целью светочувствительные белки генетически модифицируются, а затем вводятся в определенные клетки-мишени, что позволяет контролировать их поведение с помощью света.Недавно опубликованная работа, описывающая оптогенетическую экспортную систему, основана на предыдущих исследованиях других рабочих групп, изучающих домен LOV2, который первоначально происходит от растения овса.
В природе этот домен действует как датчик света и, помимо прочего, помогает растению ориентироваться на солнечный свет. Домен LOV2 коренным образом меняет свою трехмерную структуру, как только он вступает в контакт с синим светом, объясняет Доминик Ниопек, основной автор исследования.Свойство индуцированного светом изменения структуры теперь можно использовать специально для синтетического контроля клеточных сигнальных последовательностей, таких как сигнал ядерного экспорта (NES).
Доминик Ниопек первым разработал гибридный белок LOV2-NES, состоящий из домена LOV2 овса и синтетического сигнала ядерного экспорта. В темном состоянии сигнал скрыт в домене LOV2 и не виден ячейке. Свет вызывает изменение структуры LOV2, что делает NES видимым и запускает экспорт домена LOV2 из ядра.
«В принципе, гибридный белок LOV2-NES можно присоединить к любому клеточному белку и использовать для контроля его экспорта из ядра с помощью света», — говорит профессор Эйлс. Исследователь и его команда продемонстрировали это, используя белок p53, член семейства белков, подавляющих рак, которые контролируют рост клеток и предотвращают генетические дефекты во время деления клеток. По словам Роланда Эйлса, в ряде агрессивных опухолей р53 отключается из-за вредных генетических мутаций, которые позволяют опухолевым клеткам бесконтрольно воспроизводиться.
Используя белок LOV2-NES, исследователи из Гейдельберга смогли контролировать экспорт p53 из ядра, используя свет для управления его регуляторными функциями гена. «Эта новая способность напрямую контролировать p53 в живых клетках млекопитающих имеет далеко идущий потенциал для глубокого объяснения его сложной функции. Мы надеемся раскрыть новые ключи к разгадке роли возможных дефектов в регуляции p53, связанных с развитием рака», — говорит д-р. Ди Вентура.
Исследователи убеждены, что их новый оптогенетический инструмент также может быть использован для важных открытий в динамике транспорта белков и его влиянии на поведение клеток. «Наши исследования хороши настолько, насколько хороши наши инструменты», — говорит профессор Эйлс. «Таким образом, разработка инновационных молекулярных инструментов является ключом к пониманию основных клеточных функций, а также механизмов, вызывающих заболевания».