Исследователи разработали метод использования двух оттенков красного для контроля уровня и пространственного распределения экспрессии генов в клетках с помощью искусственно созданного вируса.Хотя вирусы эволюционировали, чтобы доставлять гены в клетки-хозяева, они все еще сталкиваются с трудностями при доставке своих полезных нагрузок из цитоплазмы в ядро клетки, где происходит экспрессия генов. Рисовые лаборатории биоинженеров Джунхэ Су и Джеффри Табора успешно нашли способ преодолеть это критическое препятствие.Исследование команды опубликовано на этой неделе в журнале Американского химического общества ACS Nano.
Результат, полученный в лабораториях Rice’s BioScience Research Collaborative, сочетает в себе интерес Су к разработке вирусов для доставки генов к клеткам-мишеням с навыками Табора в оптогенетике, в которых светочувствительные белки могут использоваться для управления биологическим поведением.Они создали собственные векторы аденоассоциированного вируса (AAV), включив белки, которые естественным образом объединяются при воздействии красного света (длина волны 650 нанометров) и распадаются при воздействии дальнего красного света (длина волны 750 нанометров). Эти естественно чувствительные к свету белки помогают вирусным капсидам — твердым оболочкам, которые содержат генетические полезные нагрузки — проникать в ядра клетки-хозяина.
По словам Суха, AAV был предпочтительным вектором для редактирования генов с помощью CRISPR / Cas9, метода, который обещает вылечить некоторые генетические заболевания, но ядра клеток представляют собой проблему.«Вирусы в целом относительно эффективны в доставке генов в клетки, но они все еще сталкиваются с большими ограничивающими барьерами», — сказала она. «Если вы добавите эти вирусы в клетки, кажется, что большинство из них будут зависать за пределами ядра, и лишь небольшая часть пробивается внутрь, что и является целью».Она сказала, что команда использовала опыт лаборатории Табора в оптогенетике, чтобы повысить эффективность AAV. «Джефф работает со многими различными типами светочувствительных белков.
Конкретная пара, которую мы выбрали, была впервые идентифицирована у растений.«Свет действительно хорош, потому что вы можете применять его извне, и вы можете контролировать многие аспекты: в каких областях освещается свет, продолжительность воздействия, интенсивность света и, конечно же, его длина волны», — сказала она.Белковая пара включает фитохром B и его партнер по связыванию, взаимодействующий с фитохромом фактор 6 (PIF6), оба обнаруженные в кресс-салате.
Исследователи создали клетки-хозяева, которые экспрессируют фитохром B, помеченный последовательностью ядерной локализации, небольшой пептид, который, как известно, помогает более эффективно переносить белки в ядро. Затем меньший PIF6 был прикреплен к внешней поверхности капсида вируса.
«Когда вирусы проникают внутрь клетки-хозяина, они естественным образом накапливаются вокруг ядра», — сказал Сух. «В неактивированных условиях большинство вирусов там застревают. Но когда мы светим активирующим красным светом на клетки, эти два растительных белка димеризуются — они объединяются — и из-за метки ядерной локализации на фитохроме B вирус втягивается в ядро ".
«Это первый раз, когда оптогенетические белки были использованы для контроля за инфекционностью вирусов», — сказала она, добавив: «Мы не думали, что это будет работать так же хорошо, как это было».Ведущий автор Эрик Гомес, аспирант лаборатории Су, и соавтор Карл Герхард, аспирант в лаборатории Табора, продемонстрировали методику, активируя паттерны AAV-инфицированных клеток в чашках Петри, освещая их красным светом через маски.
Сух сказал, что в будущем платформу можно будет использовать для контроля того, какие клетки и ткани экспрессируют ген и на каком уровне. Эта стратегия также может найти применение в тканевой инженерии, например, в биологических каркасах для имплантации. «Здесь вы можете уговорить стволовые клетки развиться в нужные клетки каким-то пространственно скоординированным образом», — сказала она.
Использование в организме еще более неприемлемо, потому что красный свет, направленный извне, проходит только через ткани, чтобы достичь цели. «В конечном итоге это будет зависеть от устройства, которое вы используете для доставки света», — сказала она. «Но мы представляем себе случаи, когда вы могли бы использовать катетер, чтобы добраться до места, где вы хотите, чтобы вирусы были намного более заразными».Сух сказал, что лаборатории Rice работают над тем, чтобы сделать следующее поколение капсидов более эффективным и доступным. «Это только первый шаг», — сказала она. «У нас много вопросов, например:« Можем ли мы сделать это in vivo? » вроде вопросов.
«Было несколько работ, в которых пытались сделать вирус-инфекционный процесс чувствительным к свету, но они были до эры оптогенетики», — сказал Сух. «Они использовали другие типы синтетических молекул, чтобы сделать вирусы светочувствительными.«Похоже, что использование того, что мать-природа уже предоставила в виде светочувствительных белков, действительно хорошо работает для нас».
Выпускник Rice Джастин Джадд, ныне доктор наук в Калифорнийском университете в Сан-Франциско, является соавтором статьи. Со — доцент кафедры биоинженерии.
Табор — доцент кафедры биоинженерии.Стипендия Фонда Форда Национальной академии наук для Гомеса поддержала исследование.