Биологи научились управлять генами незаметно для генома

Биохимики из Массачусетского технологического института разработали систему слежения, которая позволяет видеть: где, когда и насколько активно работает РНК нужного гена. Внесение небольших изменений в систему слежения превращает ее из пассивной в активную — становится возможным управлять работой генов, не затрагивая при этом геном. Работа опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, кратко о ней можно прочитать в пресс-релизе MIT.

Система работает следующим образом. В клетку вводится генетическая конструкция, которая обеспечивает синтез двух белков. Белки представляют собой две половины искусственного маркера. У каждого из белков есть часть, отвечающая за распознавание РНК, и часть, отвечающая, собственно, за свечение.

Вторая, флюоресцентная часть, представляет собой обычный зеленый флюоресцентный белок (GFP), разбитый на две половины. Отдельно друг от друга эти половины не светятся, но, если две части приблизить вплотную друг к другу, они соединяются (нековалентно) в единый флюоресцентный комплекс и становятся видны в ультрафиолете.

Теперь, если «научить» части маркера, которые отвечают за распознавание РНК, находить две соседские последовательности в нужной РНК, это обеспечит сближение флюоресцентных половин и такую РНК можно будет легко видеть в ультрафиолете. Если же половины маркера свяжутся с нецелевыми, случайными РНК, то вероятность сборки флюоресцентного комплекса из двух молекул будет на несколько порядков ниже. Такая стратегия «располовинивания» маркера позволяет добиться высокой специфичности связывания даже тогда, когда одиночная РНК-связывающая часть белка не слишком разборчива.

Ученые показали, что на этой же элементной базе можно создать систему управления работой генов. Для этого достаточно заменить флюоресцентную часть маркера на один из белков-инициаторов трансляции (то есть синтеза белка в рибосомах). Распознающую часть при этом надо направить на точку старта трансляции. Тогда бывший маркер будет связываться с нужной матричной РНК, но не светиться, а привлекать к ней рибосомы. В результате активность гена (то есть число копий белка, которые с него производятся в единицу времени) существенно вырастет, но при этом ни одна «буква» в геноме не будет изменена.

Следует отметить, что разные части новой системы (например, метод разделения GFP на две половины) были созданы другими исследователями. Самая главное нововведение авторов статьи — создание метода подбора аминокислотной последовательности той части белка, которая распознает нужную РНК. Для этого ученые использовали модульный подход — они нашли в белках семейства Pumilio короткие аминокислотные фрагменты, которые имеют высокое специфичное сродство к тому или иному основанию в РНК. Комбинируя эти фрагменты между собой, биологи научились создавать полностью искусственные белки, специфичные к любой нужной последовательности РНК.

Идеологически такой подход близок к методу дизайна искусственных нуклеаз на основе белков-факторов транскрипции (TALEN) и белков с цинковыми пальцами. Но эти белки связываются с ДНК, а белки семейства Pumilio — с РНК. Структура одноцепочечной РНК сильно отличается от обычно двуцепочечной ДНК, поэтому перенос подхода с TALEN'ов на Pumilio очень далек от тривиальности.

Александр Ершов