由Mustafa Khammash領(lǐng)導(dǎo)的研究人員開發(fā)了一種新方法，該方法使用藍(lán)光控制單個細(xì)胞中DNA轉(zhuǎn)錄為RNA。該技術(shù)還可用于組織工程和干細(xì)胞研究。轉(zhuǎn)錄是一種基因生物學(xué)過程，其中基因被復(fù)制到RNA分子。這涉及蛋白質(zhì)，包括轉(zhuǎn)錄因子和稱為RNA聚合酶的分子機(jī)器。

為了開始轉(zhuǎn)錄過程，轉(zhuǎn)錄因子必須首先附著到DNA的特定部分。這觸發(fā)了導(dǎo)致RNA聚合酶與DNA對接的各種過程。然后該蛋白質(zhì)復(fù)合物解開雙螺旋，以便讀取基因的序列并將其復(fù)制到RNA分子中。所謂的信使RNA是該基因的可運(yùn)輸拷貝，其作為蛋白質(zhì)合成的模板。

盡管受到許多分子參與者的強(qiáng)烈調(diào)控，轉(zhuǎn)錄輸出通常在細(xì)胞之間表現(xiàn)出高水平的變異性。這種可變性部分地源于這樣的事實：轉(zhuǎn)錄基于分子的隨機(jī)相遇，例如轉(zhuǎn)錄因子和特定的DNA序列。因此，特定基因的轉(zhuǎn)錄可以在每個細(xì)胞中不同地進(jìn)行; 它在某些情況下開始得更快，在其他情況下則根本沒有。更好地理解這種變異的來源并獲得對轉(zhuǎn)錄過程的更大控制是一個重要的研究目標(biāo)。

由巴塞爾生物系統(tǒng)和工程系控制理論和系統(tǒng)生物學(xué)教授Mustafa Khammash領(lǐng)導(dǎo)的研究小組現(xiàn)在已經(jīng)找到了一種控制何時啟動轉(zhuǎn)錄的新方法，并使用光遺傳平臺調(diào)節(jié)形成的RNA分子的數(shù)量這是ETH研究人員最近在“ 分子細(xì)胞 ”雜志上發(fā)表的文章。這使得細(xì)胞之間的可變性得以減少，并允許對轉(zhuǎn)錄動力學(xué)的新見解。

個人反饋，個人監(jiān)管

該平臺允許研究人員用藍(lán)光照射單個酵母細(xì)胞，持續(xù)時間和強(qiáng)度不同。通過引入外源基因，這些細(xì)胞已經(jīng)過基因工程改造，通過激活轉(zhuǎn)錄因子從而促進(jìn)特定基因的轉(zhuǎn)錄，從而對這種顏色的光作出反應(yīng)。該基因的轉(zhuǎn)錄物即信使RNA用熒光蛋白標(biāo)記，當(dāng)轉(zhuǎn)錄正在發(fā)生時，其產(chǎn)生明亮的熒光點(diǎn)。

可以使用熒光顯微鏡對這些斑點(diǎn)進(jìn)行成像和評估。研究人員將這個系統(tǒng)與計算機(jī)聯(lián)系起來，計算機(jī)計算在給定時間內(nèi)轉(zhuǎn)錄的RNA分子數(shù)量，并確定每個細(xì)胞接下來應(yīng)接收的光量，以便根據(jù)需要或指定方式調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)錄。

關(guān)于轉(zhuǎn)錄動力學(xué)的新見解

“由于這種設(shè)置，我們能夠證明轉(zhuǎn)錄激活和失活很快發(fā)生，”ETH教授Khammash說。他的團(tuán)隊進(jìn)一步確定轉(zhuǎn)錄發(fā)生在突發(fā)中，其持續(xù)時間和時間由轉(zhuǎn)錄因子活動調(diào)節(jié)。由于他們的反饋機(jī)制，研究人員還能夠減少不同細(xì)胞之間轉(zhuǎn)錄輸出的差異。

作為一項測試(為慶祝生物系統(tǒng)部去年10周年)，研究人員使用藍(lán)光將數(shù)字10投射到酵母細(xì)胞上。響應(yīng)于光，在被照射的細(xì)胞中開始轉(zhuǎn)錄，這導(dǎo)致在所需位置形成明亮的熒光斑點(diǎn)。

動態(tài)信號可降低可變性

所描述的控制方法具有局限性：它只能在顯微鏡下使用，而不能在試管或生物反應(yīng)器中使用，在那里需要控制生物技術(shù)過程。

為克服這一局限，研究人員轉(zhuǎn)向動態(tài)信號。與控制基因活性的常規(guī)方法相反，光的使用允許使用復(fù)雜的動態(tài)信號控制細(xì)胞。通過比較不同類型的信號，研究人員在Nature Communications發(fā)表的一項研究中觀察到，單個細(xì)胞對脈動信號的反應(yīng)精度高于恒定信號?，F(xiàn)在，這可以以更簡單的方式更好地控制大量細(xì)胞。此外，結(jié)果暗示了一種可能的策略，通過該策略可以在自然細(xì)胞群體中調(diào)節(jié)變異性。

Khammash很高興這些項目取得了成功。他和他的同事最初是出于純粹的好奇心而開始這項研究，沒有任何具體的應(yīng)用。“最重要的是，我們想知道我們是否可以控制轉(zhuǎn)錄過程的隨機(jī)元素，”他說。“這是一項真正的技術(shù)挑戰(zhàn)。”

他現(xiàn)在認(rèn)為他的平臺可能是后續(xù)研究的金礦。他說，可能存在許多不同的應(yīng)用，特別是在控制轉(zhuǎn)錄很重要的研究中。例如，遺傳網(wǎng)絡(luò)的原型可以以更快的速度開發(fā)，因為細(xì)胞間通信可以在外部進(jìn)行控制，并且不再依賴于信號分子。“該平臺也可以成為組織工程和干細(xì)胞研究的重要工具。” 研究人員將在未來幾年內(nèi)仔細(xì)研究其平臺的這些應(yīng)用，并已獲得歐盟FET開放計劃的資金支持。