Η πλατφόρμα ανίχνευσης RNA θα μπορούσε να βοηθήσει στην ανίχνευση και επιλεκτική εξόντωση όγκων ή στην επεξεργασία του γονιδιώματος σε συγκεκριμένα κύτταρα

Η πλατφόρμα ανίχνευσης RNA θα μπορούσε να βοηθήσει στην ανίχνευση και επιλεκτική εξόντωση όγκων ή στην επεξεργασία του γονιδιώματος σε συγκεκριμένα κύτταρα

Ερευνητές στο Broad Institute of MIT και Harvard και το McGovern Institute for Brain Research στο MIT έχουν αναπτύξει ένα σύστημα που μπορεί να αναγνωρίσει μια συγκεκριμένη αλληλουχία RNA σε ζωντανά κύτταρα και να παράγει μια ενδιαφέρουσα πρωτεΐνη ως απάντηση. Χρησιμοποιώντας την τεχνολογία, η ομάδα έδειξε πώς μπορούσαν να αναγνωρίσουν συγκεκριμένους τύπους κυττάρων, να ανιχνεύσουν και να μετρήσουν αλλαγές στην έκφραση μεμονωμένων γονιδίων, να παρακολουθήσουν μεταγραφικές καταστάσεις και να ελέγξουν την παραγωγή πρωτεϊνών που κωδικοποιούνται από συνθετικό mRNA.

Η πλατφόρμα, που ονομάζεται Reprogrammable ADAR Sensors, ή RADARS, επέτρεψε ακόμη και στην ομάδα να στοχεύσει και να σκοτώσει έναν συγκεκριμένο τύπο κυττάρου. Η ομάδα είπε ότι τα RADARS θα μπορούσαν μια μέρα να βοηθήσουν τους ερευνητές να εντοπίσουν και να σκοτώσουν επιλεκτικά τα καρκινικά κύτταρα ή να επεξεργαστούν το γονιδίωμα σε συγκεκριμένα κύτταρα. Η μελέτη εμφανίζεται σήμερα στο Nature Biotechnology και διευθύνεται από τους πρώτους συγγραφείς Kaiyi Jiang (MIT), Jeremy Koob (Broad), Xi Chen (Broad), Rohan Krajeski (MIT) και Yifan Zhang (Broad).

«Μία από τις επαναστάσεις στη γονιδιωματική ήταν η ικανότητα προσδιορισμού αλληλουχίας των μεταγραφωμάτων των κυττάρων», δήλωσε ο Fei Chen, μέλος του Core Institute στο Broad, Merkin Fellow, επίκουρος καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ και συν-αντίστοιχος συγγραφέας της μελέτης. "Αυτό μας επέτρεψε πραγματικά να μάθουμε για τους τύπους και τις καταστάσεις κυττάρων. Αλλά συχνά δεν καταφέραμε να χειριστούμε συγκεκριμένα αυτά τα κύτταρα. Τα ραντάρ είναι ένα μεγάλο βήμα προς αυτή την κατεύθυνση."

Αυτή τη στιγμή, τα εργαλεία που έχουμε για να χρησιμοποιήσουμε αποτελεσματικά τους δείκτες κυττάρων είναι δύσκολο να αναπτυχθούν και να κατασκευαστούν. Θέλαμε πραγματικά να βρούμε έναν προγραμματιζόμενο τρόπο για να ανιχνεύσουμε μια κατάσταση κυψέλης και να ανταποκριθούμε σε αυτήν».

Omar Abudayyeh, συνεργάτης στο Ινστιτούτο McGovern και συν-ανταποκριτής συγγραφέας της μελέτης

Ο Jonathan Gootenberg, ο οποίος είναι επίσης συνεργάτης του Ινστιτούτου McGovern και συν-ανταποκριτής συγγραφέας, λέει ότι η ομάδα τους ήθελε να αναπτύξει ένα εργαλείο για να εκμεταλλευτεί όλα τα δεδομένα που παρέχονται από την αλληλουχία RNA μονοκυττάρου, η οποία έχει αποκαλύψει ένα ευρύ φάσμα τύπων κυττάρων και κυτταρικών καταστάσεων στο σώμα.

«Θέλαμε να ρωτήσουμε πώς μπορούμε να χειριστούμε τις κυτταρικές ταυτότητες με τρόπο τόσο απλό όσο η επεξεργασία του γονιδιώματος με το CRISPR», είπε. «Και είμαστε ενθουσιασμένοι που βλέπουμε τι κάνει το γήπεδο με αυτό».

Επεξεργασία RNA επαναχρησιμοποίησης

Η πλατφόρμα RADARS δημιουργεί μια επιθυμητή πρωτεΐνη όταν αναγνωρίζει ένα συγκεκριμένο RNA εκμεταλλευόμενη την επεξεργασία RNA που συμβαίνει φυσικά στα κύτταρα.

Το σύστημα αποτελείται από ένα RNA που περιέχει δύο συστατικά: μια περιοχή καθοδήγησης που συνδέεται με την αλληλουχία RNA στόχο που οι επιστήμονες θέλουν να συλλάβουν στα κύτταρα και μια περιοχή ωφέλιμου φορτίου που κωδικοποιεί την πρωτεΐνη που μας ενδιαφέρει, π.χ. Β. σκοτώνει ένα σήμα φθορισμού ή ένα κυτταρικό ένζυμο. Όταν το RNA-οδηγός δεσμεύεται στο RNA στόχο, αυτό δημιουργεί μια μικρή δίκλωνη αλληλουχία RNA που περιέχει μια αναντιστοιχία μεταξύ δύο βάσεων στην αλληλουχία -; Αδενοσίνη (Α) και κυτοσίνη (C). Αυτή η αναντιστοιχία προσελκύει μια φυσικά απαντώμενη οικογένεια πρωτεϊνών επεξεργασίας RNA που ονομάζονται απαμινάσες αδενοσίνης που δρουν RNA (ADAR).

Στα RADARS, η αναντιστοιχία AC εμφανίζεται μέσα σε ένα «σήμα διακοπής» στο οδηγό RNA που εμποδίζει την παραγωγή της επιθυμητής πρωτεΐνης ωφέλιμου φορτίου. Τα ADAR επεξεργάζονται και απενεργοποιούν το σήμα διακοπής, επιτρέποντας τη μετάφραση αυτής της πρωτεΐνης. Η σειρά αυτών των μοριακών γεγονότων είναι το κλειδί για τη λειτουργία των RADARS ως αισθητήρα. Η πρωτεΐνη που ενδιαφέρει παράγεται μόνο αφού το RNA-οδηγός συνδεθεί στο RNA στόχο και τα ADAR απενεργοποιήσουν το σήμα διακοπής.

Η ομάδα εξέτασε RADARS σε διαφορετικούς τύπους κυττάρων και με διαφορετικές αλληλουχίες-στόχους και προϊόντα πρωτεΐνης. Διαπίστωσαν ότι τα RADARS έκαναν διάκριση μεταξύ των κυττάρων των νεφρών, της μήτρας και του ήπατος και μπορούσαν να παράγουν διαφορετικά φθορίζοντα σήματα καθώς και μια κασπάση, ένα ένζυμο που σκοτώνει τα κύτταρα. Τα RADARS μέτρησαν επίσης την έκφραση γονιδίων σε μεγάλο δυναμικό εύρος, αποδεικνύοντας τη χρησιμότητά τους ως αισθητήρες.

Τα περισσότερα συστήματα αναγνώρισαν με επιτυχία τις αλληλουχίες-στόχους χρησιμοποιώντας τις εγγενείς πρωτεΐνες ADAR του κυττάρου, αλλά η ομάδα διαπίστωσε ότι η συμπλήρωση των κυττάρων με πρόσθετες πρωτεΐνες ADAR αύξησε την ισχύ του σήματος. Ο Abudayyeh λέει ότι και οι δύο περιπτώσεις είναι δυνητικά χρήσιμες. Η αξιοποίηση των εγγενών πρωτεϊνών επεξεργασίας του κυττάρου θα ελαχιστοποιούσε την πιθανότητα επεξεργασίας εκτός στόχου σε θεραπευτικές εφαρμογές, αλλά η συμπλήρωσή τους θα μπορούσε να βοηθήσει στην παραγωγή πιο ισχυρών αποτελεσμάτων όταν τα ΡΑΔΑΡ χρησιμοποιούνται ως ερευνητικό εργαλείο στο εργαστήριο.

Στο ραντάρ

Οι Abudayyeh, Chen και Gootenberg λένε ότι επειδή τόσο το RNA-οδηγό όσο και το RNA ωφέλιμου φορτίου είναι τροποποιήσιμα, άλλοι μπορούν εύκολα να επανασχεδιάσουν τα RADARS για να στοχεύουν διαφορετικούς τύπους κυττάρων και να παράγουν διαφορετικά σήματα ή ωφέλιμα φορτία. Κατασκεύασαν επίσης πιο πολύπλοκα ΡΑΔΑΡ, στα οποία τα κύτταρα παρήγαγαν μια πρωτεΐνη όταν ανίχνευαν δύο αλληλουχίες RNA και μια άλλη όταν αισθάνθηκαν είτε τη μία είτε την άλλη αλληλουχία RNA. Η ομάδα προσθέτει ότι παρόμοια ΡΑΔΑΡ θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους επιστήμονες να ανιχνεύσουν περισσότερους από έναν κυτταρικούς τύπους κάθε φορά, καθώς και πολύπλοκες κυτταρικές καταστάσεις που δεν μπορούν να καθοριστούν από ένα μόνο μεταγράφημα RNA.

Τελικά, οι ερευνητές ελπίζουν να αναπτύξουν ένα σύνολο κανόνων σχεδιασμού για να διευκολύνουν τους άλλους να αναπτύξουν ΡΑΔΑΡ για τα δικά τους πειράματα. Προτείνουν ότι άλλοι επιστήμονες θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν το RADAR για να χειριστούν την κατάσταση των ανοσοκυττάρων, να παρακολουθήσουν τη νευρωνική δραστηριότητα ως απόκριση σε ερεθίσματα ή να παραδώσουν θεραπευτικό mRNA σε συγκεκριμένους ιστούς.

«Πιστεύουμε ότι αυτό είναι ένα πραγματικά ενδιαφέρον παράδειγμα για τον έλεγχο της γονιδιακής έκφρασης», είπε ο Chen. "Δεν μπορούμε καν να προβλέψουμε ποιες θα είναι οι καλύτερες εφαρμογές. Αυτό προέρχεται πραγματικά από τον συνδυασμό ανθρώπων με ενδιαφέρουσα βιολογία και τα εργαλεία που αναπτύσσετε."

Πηγή:

Broad Institute of MIT και Harvard

Αναφορά:

Jiang, Κ., et αϊ. (2022) Προγραμματιζόμενη ευκαρυωτική πρωτεϊνική σύνθεση με αισθητήρες RNA χρησιμοποιώντας ADAR. Φυσική βιοτεχνολογία. doi.org/10.1038/s41587-022-01534-5.

.