Сенсоры из молекул ДНК можно использовать в персонализированной терапии рака и для мониторинга результатов перепрограммирования стволовых клеток. Так считает интернациональная группа ученых, возглавляемая специалистами из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (University of California – Santa Barbara, UCSB) и римского Университета Тор Вергата (University Tor Vergata), Италия.

Новые наносенсоры могут быстро обнаруживать класс белков, называемых транскрипционными факторами, – главных регуляторов всех биохимических процессов в живом организме. Результаты исследования детально описаны в статье, опубликованной в журнале Journal of the American Chemical society.

Изменяющий структуру наносенсор из последовательности ДНК (синий и фиолетовый) обнаруживает
специфический транскрипционный фактор (зеленый) и сигнализирует об этом флуоресцентной вспышкой
(желтая). Используя такие наносенсоры, группа ученых из UCSB продемонстрировала возможность
обнаружения факторов транскрипции непосредственно в клеточных экстрактах. Исследователи
полагают, что их стратегия позволит биологам отслеживать активность тысяч транскрипционных
факторов, что приведет к более глубокому пониманию механизмов, лежащих в основе деления
клетки и развития организма. (Рис. Peter Allen)

«Судьба наших клеток находится под контролем тысяч различных белков, называемых транскрипционными факторами», – объясняет руководитель исследования Алексис Валле-Белиль (Alexis Vallée-Bélisle), постдокторант кафедры химии и биохимии UCSB. «Функции этих белков заключаются в считывании генома и его трансляции в инструкции для синтеза различных молекул, составляющих клетку и регулирующих ее деятельность. Транскрипционные факторы можно сравнить с «настройками» клеток, такими же, как настойки наших телефонов или компьютеров. Функция созданных нами сенсоров – считывать эти настройки».

Процесс трансформации стволовых клеток в специализированные называется перепрограммированием. Ученые осуществляют его, изменяя в клетках уровни нескольких транскрипционных факторов.

«Наши сенсоры отслеживают активность транскрипционных факторов и могут быть использованы для контроля над перепрограммированием стволовых клеток», – говорит Валле-Белиль. «Применительно к раковой клетке их можно использовать для определения того, какие транскрипционные факторы в ней активны, а какие подавлены. Это позволит врачам подбирать правильные комбинации лекарственных препаратов для каждого пациента».

Способы получения информации о транскрипционных факторах разработаны многими лабораториями. Однако подход ученых их UCSB отличается удобством и быстротой.

«В большинстве лабораторий, прежде чем приступить к непосредственному анализу белков, исследователям приходится тратить часы на их извлечение из клеток. При использовании наших новых сенсоров мы просто дробим клетки, помещаем сенсоры в полученные экстракты и измеряем уровень флуоресценции образца» – продолжает Валле-Белиль.

Этот международный проект – организованный профессором кафедры химии и биохимии UCSB Кевином Клакско (Kevin Plaxco) и профессором римского Университета Тор Вергата Франческо Риччи (Francesco Ricci) – стартовал, когда Риччи понял, что вся необходимая для определения активности транскрипционных факторов информация уже закодирована в геноме человека и может быть использована для создания датчиков.

«После активации эти тысячи различных транскрипционных факторов связываются со своими специфическими мишенями – последовательностями ДНК», – говорит профессор Риччи. «При создании наших наносенсоров в качестве отправной точки мы использовали эти последовательности».

Таким образом, ключом к новой технологии стали естественные внутриклеточные биосенсоры.

«Все живые существа, от бактерий до человека, контролируют состояние окружающей их среды, используя «биомолекулярные переключатели» – изменяющие форму молекулы РНК или белков», – объясняет профессор Плакско. «Например, в нашей носовой полости находятся миллионы рецепторных белков, определяющих различные молекулы запахов путем перехода из «выключенного» во «включенное» состояние. Красота этих переключателей заключается в том, что они достаточно малы, чтобы функционировать внутри отдельной клетки, и достаточно специфичны, чтобы работать в очень сложной среде».

Вдохновленные эффективностью естественных наносенсоров, в сотрудничестве с профессором химии и биохимии UCSB Норбертом Райхом (Norbert Reich), профессор Клакско и его коллеги создали синтетические наносенсоры-переключатели, используя для этого не белки и РНК, а ДНК.

Разработка удобных, работающих в режиме реального времени датчиков для мониторинга функции белков в биологических образцах – требование нашей постгеномной эпохи. Ученые создали «маячки факторов транскрипции» – активируемые связыванием флуоресцентные ДНК-датчики, сигнализирующие о присутствии специфических белков. (Рис.pubs.acs.org)

В частности, они «перестроили» три естественно существующие последовательности ДНК, каждая из которых распознает специфический транскрипционный фактор, в молекулярные переключатели, которые начинают флуоресцировать при взаимодействии со своими мишенями. Используя такие наноразмерные датчики, ученые могут определять активность транскрипционных факторов непосредственно в клеточных экстрактах, просто измеряя уровень их флуоресценции.

Ученые считают, что эта стратегия в конечном итоге позволит биологам отслеживать активность тысяч транскрипционных факторов, что приведет к более глубокому пониманию механизмов, лежащих в основе деления клеток и развития организма.

«Кроме того, поскольку наши наносенсоры работают непосредственно в биологических образцах, мы полагаем, что их можно будет использовать и для скрининга и тестирования новых препаратов, способных, например, подавлять связывающую активность транскрипционных факторов, ответственную за рост опухолевых клеток», – говорит профессор Клакско.

Аннотация к статье

Quantitative Detection of DNA Binding Activity