Биоинженеры разработали белки — синтетические транскрипционные регуляторы, которые в клетках активируются кофеином. Для «включения» такого белка и запуска экспрессии подконтрольных ему генов достаточно физиологически значимых концентраций кофеина, которые содержатся в кофе, чае и энергетических напитках. Работу кофеин-зависимых регуляторов проверили на практике на модельных мышах с диабетом второго типа. Потребление кофе приводило к снижению уровня глюкозы у мышей с диабетом и имплантированными клетками, экспрессирующими синтетический гормон в присутствии кофеина. Статья опубликована в Nature Communications.

Кофеин потребляется во всем мире в больших количествах, поэтому ученые рассматривают это вещество как дешевый и нетоксичный препарат, который можно применять в различных медицинских приложениях. Например, ученые из швейцарской высшей технической школы Цюриха предложили использовать кофеин в качестве индуктора для выработки самим пациентом лекарства против диабета. Для этого ученые разработали искусственные белки-активаторы, реагирующие на кофеин и состоящие из нескольких функциональных блоков. Генетическая конструкция, кодирующая активатор, встроена в ДНК клеток, которые можно ввести в поджелудочную железу.

Рецептором кофеина в этой системе служит синтетическое одноцепочечное антитело, которое образует пару с такой же молекулой (димеризуется) в ответ на связывание кофеина в микромолярных концентрациях. Именно в таких концентрациях, например, кофеин присутствует в крови человека после употребления содержащих его напитков.

Первая версия синтетического регулятора содержала кофеин-связывающий, ДНК-связывающий и трансактиваторный домены и реагировала на 100 микромоль чистого кофеина. Затем исследователи «пришили» кофеин-связывающее антитело к белкам, запускающим один из клеточных сигнальных каскадов, ведущих к запуску транскрипции одновременно с многократным усилением сигнала. В этом случае система реагировала уже на концентрации от 1 до 0,01 микромоль кофеина. Финальная версия системы получила название С-STAR (caffeine-stimulated advanced regulators).

Схема работы кофеин-связывающего синтетического активатора. Кофеин-чувствительный домен ( aCaffVHH) димеризуется в присутствии кофеина и может быть использован для непосредственной активации транскрипции или усиления сигнала. Daniel Bojar et al / Nature Communications 2018

Чтобы проверить активность системы при физиологически значимых концентрациях кофеина, исследователи запускали в клеточной линии экспрессию репортерного гена синтетическим активатором в ответ на воздействие коммерческих кофеин-содержащих напитков, таких как RedBull, Coca-Cola и кофе из StarBucks. В качестве отрицательного контроля в этом эксперименте взяли кофе без кофеина.

После разработки кофеин-индуцируемой системы исследователи проверили ее функциональность на животных. Модельным мышам с диабетом второго типа, вызванного ожирением, с нарушенной чувствительностью к инсулину, имплантировали микрокапсулы с клетками, содержащими систему С-STAR. Вместо репортерного белка система активировала экспрессию синтетического гормона — глюкагон-подобного пептида, который ранее был разработан для снижения уровня глюкозы в крови при диабете. Опытных мышей поили умеренно крепким кофе комнатной температуры, и в течение двух недель у животных нормализовался уровень глюкозы в крови натощак и снизился вес. При этом критического падения уровня глюкозы в ответ на повышенное потребление кофе не наблюдалось.

Авторы работы поясняют, что имплантируемые в брюшную полость микроконтейнеры, подобные тем, что использовались на мышах, уже использовали в клинических испытаниях для терапии диабета на людях, так что кофеин-индуцируемую систему С-STAR теоретически можно проверять на реальных пациентах.

Для лечения диабета исследователи ранее предлагали и более экзотические способы, например, инъекцию в мозг фактора роста фибробластов (FGF1).

Автор: Дарья Спасская