Het RNA-detectieplatform zou kunnen helpen bij het detecteren en selectief doden van tumoren of het bewerken van het genoom in specifieke cellen

Het RNA-detectieplatform zou kunnen helpen bij het detecteren en selectief doden van tumoren of het bewerken van het genoom in specifieke cellen

Onderzoekers van het Broad Institute of MIT en Harvard en het McGovern Institute for Brain Research van MIT hebben een systeem ontwikkeld dat een specifieke RNA-sequentie in levende cellen kan herkennen en als reactie hierop een interessant eiwit kan produceren. Met behulp van de technologie demonstreerde het team hoe ze specifieke celtypen konden identificeren, veranderingen in de expressie van individuele genen konden detecteren en meten, transcriptionele toestanden konden volgen en de productie van eiwitten konden controleren die worden gecodeerd door synthetisch mRNA.

Het platform, genaamd Reprogrammable ADAR Sensors, of RADARS, stelde het team zelfs in staat een specifiek type cel te targeten en te doden. Het team zei dat RADARS op een dag onderzoekers zou kunnen helpen tumorcellen te detecteren en selectief te doden of het genoom in specifieke cellen te bewerken. De studie verschijnt vandaag in Nature Biotechnology en werd geleid door co-eerste auteurs Kaiyi Jiang (MIT), Jeremy Koob (Broad), Xi Chen (Broad), Rohan Krajeski (MIT) en Yifan Zhang (Broad).

“Een van de revoluties in de genomica is het vermogen om de transcriptomen van cellen te sequencen”, zegt Fei Chen, lid van het Core Institute bij de Broad, Merkin Fellow, assistent-professor aan de Harvard University en co-corresponderende auteur van de studie. "Hierdoor hebben we echt meer kunnen leren over celtypen en -toestanden. Maar we zijn er vaak niet in geslaagd deze cellen specifiek te manipuleren. RADARS is een grote stap in die richting."

Op dit moment zijn de hulpmiddelen die we hebben om celmarkers effectief te gebruiken moeilijk te ontwikkelen en te engineeren. We wilden heel graag een programmeerbare manier vinden om een ​​celtoestand waar te nemen en erop te reageren.”

Omar Abudayyeh, een fellow bij het McGovern Institute en co-corresponderende auteur van de studie

Jonathan Gootenberg, tevens fellow en co-corresponderend auteur van het McGovern Institute, zegt dat hun team graag een hulpmiddel wilde ontwikkelen om te profiteren van alle gegevens die worden verstrekt door single-cell RNA-sequencing, die een breed scala aan celtypen en celtoestanden in het lichaam heeft onthuld.

“We wilden vragen hoe we cellulaire identiteiten kunnen manipuleren op een manier die net zo eenvoudig is als het bewerken van het genoom met CRISPR,” zei hij. “En we zijn benieuwd wat het veld ermee doet.”

Herbestemming van RNA-bewerking

Het RADARS-platform genereert een gewenst eiwit wanneer het een specifiek RNA herkent door gebruik te maken van RNA-bewerking die van nature in cellen voorkomt.

Het systeem bestaat uit een RNA dat twee componenten bevat: een gidsgebied dat zich bindt aan de doel-RNA-sequentie die wetenschappers in cellen willen vastleggen, en een payload-gebied dat codeert voor het eiwit van belang, b.v. B. een fluorescentiesignaal of een celenzym doden. Wanneer het gids-RNA zich aan het doel-RNA bindt, ontstaat er een korte dubbelstrengige RNA-sequentie die een mismatch bevat tussen twee basen in de sequentie; Adenosine (A) en cytosine (C). Deze mismatch trekt een natuurlijk voorkomende familie van RNA-bewerkingseiwitten aan, genaamd RNA-werkende adenosinedeaminasen (ADAR's).

In RADARS verschijnt de AC-mismatch binnen een “stopsignaal” in het gids-RNA dat de productie van het gewenste payload-eiwit verhindert. De ADAR's bewerken en deactiveren het stopsignaal, waardoor vertaling van dit eiwit mogelijk wordt. De volgorde van deze moleculaire gebeurtenissen is de sleutel tot de functie van RADARS als sensor; Het interessante eiwit wordt pas geproduceerd nadat het gids-RNA aan het doel-RNA bindt en de ADAR's het stopsignaal deactiveren.

Het team testte RADARS in verschillende celtypen en met verschillende doelsequenties en eiwitproducten. Ze ontdekten dat RADARS onderscheid maakte tussen nier-, baarmoeder- en levercellen en verschillende fluorescentiesignalen kon produceren, evenals een caspase, een enzym dat cellen doodt. RADARS mat ook genexpressie over een groot dynamisch bereik, wat hun bruikbaarheid als sensoren aantoonde.

De meeste systemen herkenden met succes doelsequenties met behulp van de oorspronkelijke ADAR-eiwitten van de cel, maar het team ontdekte dat het aanvullen van de cellen met extra ADAR-eiwitten de sterkte van het signaal verhoogde. Abudayyeh zegt dat beide gevallen potentieel nuttig zijn; Het benutten van de eigen editing-eiwitten van de cel zou de kans op off-target editing bij therapeutische toepassingen minimaliseren, maar het aanvullen ervan zou kunnen helpen krachtigere effecten te produceren wanneer RADARS als onderzoeksinstrument in het laboratorium worden gebruikt.

Op de radar

Abudayyeh, Chen en Gootenberg zeggen dat, omdat zowel het gids-RNA als het payload-RNA aanpasbaar zijn, anderen RADARS gemakkelijk opnieuw kunnen ontwerpen om zich op verschillende celtypen te richten en verschillende signalen of payloads te genereren. Ze construeerden ook complexere RADARS, waarbij cellen één eiwit produceerden als ze twee RNA-sequenties detecteerden en een ander eiwit als ze de ene of de andere RNA-sequentie detecteerden. Het team voegt eraan toe dat soortgelijke RADARS wetenschappers kunnen helpen meer dan één celtype tegelijk te detecteren, evenals complexe cellulaire toestanden die niet kunnen worden gedefinieerd door een enkel RNA-transcript.

Uiteindelijk hopen de onderzoekers een reeks ontwerpregels te ontwikkelen om het voor anderen gemakkelijker te maken RADARS voor hun eigen experimenten te ontwikkelen. Ze suggereren dat andere wetenschappers RADAR zouden kunnen gebruiken om de toestand van immuuncellen te manipuleren, neuronale activiteit te volgen als reactie op stimuli, of therapeutisch mRNA aan specifieke weefsels af te geven.

“Wij denken dat dit een heel interessant paradigma is voor het controleren van genexpressie,” zei Chen. "We kunnen niet eens voorspellen wat de beste toepassingen zullen zijn. Dat komt echt voort uit de combinatie van mensen met interessante biologie en de tools die je ontwikkelt."

Bron:

Breed Instituut van MIT en Harvard

Referentie:

Jiang, K., et al. (2022) Programmeerbare eukaryote eiwitsynthese met RNA-sensoren met behulp van ADAR. Natuurlijke biotechnologie. doi.org/10.1038/s41587-022-01534-5.

.