Профессор Калифорнийского технологического института Михаил Шапиро (Mikhail Shapiro) и его коллеги разработали принципиально новый метод выявления экспрессии генов в живом организме.
Для того чтобы узнать, когда включается или выключается тот или иной ген, исследователи обычно присоединяют к интересующему их гену еще один — так называемый репортерный ген. В этой роли выступают гены, активность которых удобно регистрировать, — например, гены зеленого флуоресцентного белка или люциферазы, вызывающие характерное свечение. Но такие методы хорошо работают в клеточной культуре и гораздо хуже — в живом организме, так как трудно отследить флуоресценцию во внутренних органах.
Михаил Шапиро и его коллеги предложили новый репортерный ген, активность которого в тканях организма легко отслеживается обычным ультразвуковым исследованием. Нужный ген исследователи позаимствовали у бактерий, которые отличаются способностью продуцировать небольшие пузырьки воздуха внутри бактериальной клетки («газовые везикулы»). Еще в 2014 году в лаборатории Шапиро установили, что эти пузырьки легко детектируются при ультразвуковом исследовании.
Теперь ученые сумели заставить клетки млекопитающих синтезировать такие же везикулы. Это было непростой задачей, так как у бактерий за эту работу отвечают девять генов, а главное — механизмы переноса информации из ДНК в РНК и дальнейшего синтеза белков у млекопитающих (как и у прочих эукариот) и у бактерий значительно различаются. Если просто пересадить в ДНК клетки бактериальные гены, она не сможет их использовать. «Механизм перевода очень отличается в двух типах клеток, – рассказывает один из авторов исследования, Араш Фархади (Arash Farhadi). – Одно из самых больших отличий заключается в том, что у ДНК бактерий часто встречается множество генов, которые транскрибируются в один общий фрагмент РНК, а он затем транслируется во все соответствующие белки, тогда как у эукариот каждый ген обычно сам по себе». Заставить работать бактериальную ДНК в клетках млекопитающих исследователи смогли, использовав механизм, который применяют для внедрения своего генома в ядро клетки вирусы.
Но даже после того, как бактериальная ДНК начала работать в клетках и запустился синтез необходимых белков, воздушные пузырьки не возникли. Как оказалось, для этого мало наличия нужных белков, надо еще чтобы эти белки вырабатывались в правильном соотношении. «Правильные соотношения белков запрограммированы в кластерах бактериальных генов, но когда мы помещаем их в клетки млекопитающих, мы должны выяснить, какими должны быть эти соотношения и как заставить клетки млекопитающих вырабатывать эти белки правильно», – говорит Фархади. Выполнение этой задачи потребовало нескольких лет работы.
Теперь гены заработали как надо, и в клетках действительно стали появляться нанопузырьки, заполненные воздухом. Их выявляет ультразвук, способный проникать внутрь организма, поэтому новый репортерный ген применим для изучения экспрессии генов в нейронах, клетках иммунной системы и других типах клеток организма, а также в клетках опухолей. Исследователи надеются, что в будущем их метод также будут использовать врачи, чтобы контролировать ход генной терапии у больного.
Статья с результатами исследования опубликована в журнале Science.
