RNA-sensing-plattformen kan bidra til å oppdage og selektivt drepe svulster eller redigere genomet i spesifikke celler

RNA-sensing-plattformen kan bidra til å oppdage og selektivt drepe svulster eller redigere genomet i spesifikke celler

Forskere ved Broad Institute of MIT og Harvard og McGovern Institute for Brain Research ved MIT har utviklet et system som kan gjenkjenne en spesifikk RNA-sekvens i levende celler og produsere et interessant protein som respons. Ved hjelp av teknologien demonstrerte teamet hvordan de kunne identifisere spesifikke celletyper, oppdage og måle endringer i uttrykket av individuelle gener, spore transkripsjonstilstander og kontrollere produksjonen av proteiner kodet av syntetisk mRNA.

Plattformen, kalt Reprogrammable ADAR Sensors, eller RADARS, tillot til og med teamet å målrette og drepe en bestemt type celle. Teamet sa at RADARS en dag kunne hjelpe forskere med å oppdage og selektivt drepe tumorceller eller redigere genomet i spesifikke celler. Studien vises i dag i Nature Biotechnology og ble ledet av de første forfatterne Kaiyi Jiang (MIT), Jeremy Koob (Broad), Xi Chen (Broad), Rohan Krajeski (MIT) og Yifan Zhang (Broad).

"En av revolusjonene innen genomikk har vært evnen til å sekvensere transkriptomene til celler," sa Fei Chen, medlem av Core Institute ved Broad, Merkin Fellow, assisterende professor ved Harvard University og medkorresponderende forfatter av studien. "Dette har virkelig tillatt oss å lære om celletyper og tilstander. Men vi har ofte ikke vært i stand til å spesifikt manipulere disse cellene. RADARS er et stort skritt i den retningen."

For øyeblikket er verktøyene vi har for å effektivt bruke cellemarkører vanskelige å utvikle og konstruere. Vi ønsket virkelig å finne en programmerbar måte å registrere en celletilstand og svare på den."

Omar Abudayyeh, stipendiat ved McGovern Institute og medkorresponderende forfatter av studien

Jonathan Gootenberg, som også er McGovern Institute-stipendiat og medkorresponderende forfatter, sier at teamet deres var opptatt av å utvikle et verktøy for å dra nytte av alle dataene levert av encellet RNA-sekvensering, som har avslørt et bredt spekter av celletyper og celletilstander i kroppen.

"Vi ønsket å spørre hvordan vi kan manipulere cellulære identiteter på en måte som er like enkel som å redigere genomet med CRISPR," sa han. "Og vi er spente på å se hva feltet gjør med det."

Gjenbruk av RNA-redigering

RADARS-plattformen genererer et ønsket protein når den gjenkjenner et spesifikt RNA ved å dra nytte av RNA-redigering som forekommer naturlig i cellene.

Systemet består av et RNA som inneholder to komponenter: en guideregion som binder seg til mål-RNA-sekvensen som forskerne ønsker å fange opp i celler, og en nyttelastregion som koder for proteinet av interesse, f.eks. B. drepe et fluorescenssignal eller et celleenzym. Når guide-RNA-en binder seg til mål-RNA-en, skaper dette en kort dobbelttrådet RNA-sekvens som inneholder en mismatch mellom to baser i sekvensen -; Adenosin (A) og cytosin (C). Denne mismatchen tiltrekker seg en naturlig forekommende familie av RNA-redigerende proteiner kalt RNA-virkende adenosindeaminaser (ADAR).

I RADARS vises AC-mismatchet innenfor et "stoppsignal" i guide-RNA som forhindrer produksjon av ønsket nyttelastprotein. ADAR-ene redigerer og deaktiverer stoppsignalet, og tillater oversettelse av dette proteinet. Rekkefølgen på disse molekylære hendelsene er nøkkelen til RADARS' funksjon som sensor; Proteinet av interesse produseres først etter at guide-RNA-en binder seg til mål-RNA-en og ADAR-ene deaktiverer stoppsignalet.

Teamet testet RADARS i forskjellige celletyper og med forskjellige målsekvenser og proteinprodukter. De fant at RADARS skilte mellom nyre-, livmor- og leverceller og kunne produsere forskjellige fluorescerende signaler i tillegg til en caspase, et enzym som dreper celler. RADARS målte også genuttrykk over et stort dynamisk område, og demonstrerte deres nytte som sensorer.

De fleste systemer gjenkjente målsekvenser med suksess ved å bruke cellens native ADAR-proteiner, men teamet fant ut at å supplere cellene med ytterligere ADAR-proteiner økte styrken til signalet. Abudayyeh sier at begge tilfellene er potensielt nyttige; Å utnytte cellens opprinnelige redigeringsproteiner vil minimere sannsynligheten for redigering utenfor mål i terapeutiske applikasjoner, men å supplere dem kan bidra til å produsere mer potente effekter når RADARS brukes som et forskningsverktøy i laboratoriet.

På radaren

Abudayyeh, Chen og Gootenberg sier at fordi både guide-RNA og nyttelast-RNA er modifiserbare, kan andre enkelt redesigne RADARS for å målrette mot forskjellige celletyper og produsere forskjellige signaler eller nyttelast. De konstruerte også mer komplekse RADARS, der celler produserte ett protein når de sanset to RNA-sekvenser og et annet når de sanset enten den ene eller den andre RNA-sekvensen. Teamet legger til at lignende RADARS kan hjelpe forskere med å oppdage mer enn én celletype om gangen, så vel som komplekse cellulære tilstander som ikke kan defineres av et enkelt RNA-transkript.

Til syvende og sist håper forskerne å utvikle et sett med designregler for å gjøre det lettere for andre å utvikle RADARS for sine egne eksperimenter. De foreslår at andre forskere kan bruke RADAR til å manipulere tilstanden til immunceller, spore nevronal aktivitet som respons på stimuli, eller levere terapeutisk mRNA til spesifikt vev.

"Vi tror dette er et veldig interessant paradigme for å kontrollere genuttrykk," sa Chen. "Vi kan ikke engang forutsi hva de beste applikasjonene vil være. Det kommer virkelig fra kombinasjonen av mennesker med interessant biologi og verktøyene du utvikler."

Kilde:

Broad Institute of MIT og Harvard

Referanse:

Jiang, K., et al. (2022) Programmerbar eukaryotisk proteinsyntese med RNA-sensorer ved bruk av ADAR. Naturlig bioteknologi. doi.org/10.1038/s41587-022-01534-5.

.