借助于光敏的遺傳修飾的植物蛋白，光可用于控制蛋白質(zhì)從細(xì)胞核中的轉(zhuǎn)運。來自海德堡大學(xué)和德國癌癥研究中心(DKFZ)的生物學(xué)家在光遺傳學(xué)領(lǐng)域工作，現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出了這樣一種工具。研究人員在Barbara Di Ventura博士和Roland Eils教授的指導(dǎo)下，采用了合成生物學(xué)的方法，并將燕麥植物的光傳感器與傳輸信號相結(jié)合。這使得可以使用外部光來精確控制哺乳動物細(xì)胞中蛋白質(zhì)的位置并因此控制其活性。這項研究的結(jié)果發(fā)表在Nature Communications雜志上。

真核細(xì)胞的特征在于細(xì)胞核和細(xì)胞其余部分之間的空間分離。“這一細(xì)分保護(hù)了復(fù)制和讀取遺傳信息所涉及的機(jī)制，使其免受蛋白質(zhì)合成或能源生產(chǎn)等其他細(xì)胞過程造成的破壞，”海德堡大學(xué)BioQuant中心主任，Ruperto Carola生物信息學(xué)系主任Eils教授解釋說。 DKFZ。蛋白質(zhì)和其他大分子通過核孔復(fù)合物進(jìn)出細(xì)胞核，以控制許多生物過程。

雖然較小的蛋白質(zhì)被動地擴(kuò)散通過核孔，但較大的顆粒必須鎖定在所謂的載體蛋白上才能進(jìn)行。通常，蛋白質(zhì)表面上的短肽會向蛋白質(zhì)準(zhǔn)備好運輸?shù)妮d體發(fā)出信號。該信號被稱為用于運輸?shù)郊?xì)胞核中的核定位信號(NLS)，以及用于從核移出的核輸出序列(NES)。“人工誘導(dǎo)選定蛋白質(zhì)的進(jìn)口或出口將使我們能夠控制它們在活細(xì)胞中的活動，”Eils教授部門負(fù)責(zé)人Di Ventura博士說。

Di Ventura實驗室專門研究光遺傳學(xué)，這是一個相對較新的合成生物學(xué)研究領(lǐng)域。光遺傳學(xué)將光學(xué)和遺傳學(xué)方法結(jié)合起來，目的是利用光來打開和關(guān)閉活細(xì)胞中的某些功能。為此，對光敏蛋白進(jìn)行遺傳修飾，然后將其引入特定的靶細(xì)胞，從而可以使用光來控制它們的行為。

最近發(fā)表的報道光遺傳輸出系統(tǒng)的工作建立在調(diào)查LOV2結(jié)構(gòu)域的其他工作組的先前研究的基礎(chǔ)上，該研究領(lǐng)域最初來自燕麥植物。在自然界中，該區(qū)域充當(dāng)光傳感器，并且除其他外，幫助植物定向于陽光。該研究的主要作者Dominik Niopek解釋說，LOV2結(jié)構(gòu)域一旦與藍(lán)光接觸，就會從根本上改變其三維結(jié)構(gòu)。

光誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)變化的特性現(xiàn)在可以專門用于合成控制細(xì)胞信號序列 - 如核輸出信號(NES)。Dominik Niopek首先開發(fā)了一種由燕麥的LOV2結(jié)構(gòu)域和合成核輸出信號組成的雜合LOV2-NES蛋白。在黑暗狀態(tài)下，信號隱藏在LOV2域中，對細(xì)胞不可見。光導(dǎo)致LOV2的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，這使得NES可見并觸發(fā)從核中輸出LOV2結(jié)構(gòu)域。

“原則上，雜合體LOV2-NES蛋白可以附著在任何細(xì)胞蛋白上，用于控制它從光核中的輸出，”Eils教授說。研究人員和他的團(tuán)隊使用p53蛋白證明了這一點，p53蛋白是癌癥抑制蛋白家族的一員，可監(jiān)測細(xì)胞生長并防止細(xì)胞分裂過程中的遺傳缺陷。根據(jù)Roland Eils的說法，p53在許多侵襲性腫瘤中因有害的基因突變而被關(guān)閉，這些突變使腫瘤細(xì)胞不受控制地繁殖。

使用LOV2-NES蛋白，海德堡研究人員能夠利用光控制從細(xì)胞核輸出p53，從而控制其基因調(diào)控功能。“這種在活體哺乳動物細(xì)胞中直接控制p53的新能力具有深遠(yuǎn)的解釋其復(fù)雜功能的潛力。我們希望能夠發(fā)現(xiàn)關(guān)于p53調(diào)控中與癌癥發(fā)展有關(guān)的可能缺陷作用的新線索，”Dr博士說。 。迪文圖拉。

研究人員相信，他們的新光遺傳工具也可用于重要發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)運輸?shù)膭恿W(xué)及其對細(xì)胞行為的影響。“我們的研究與我們的工具一樣好，”艾爾斯教授說。“因此，創(chuàng)新分子工具的發(fā)展是理解基本細(xì)胞功能以及引起疾病的機(jī)制的關(guān)鍵。”