Ген светлячка помог проследить за активностью мозга обезьяны

Люминесценция в мозге у мышей, зарегистрированная на видео

Iwano et al / Science 2018

Исследователи разработали новую неинвазивную систему визуализации отдельных клеток в организме животного на базе модифицированного фермента люциферазы и ее синтетического субстрата. Детектируя биолюминесценцию в тканях, ученые смогли наблюдать за раковыми клетками в легком мыши и следить за активацией нейронов в мозге мыши и обезьяны. Работа опубликована в Science.

Люцифераза, окисляющая вещество под названием люциферин с испусканием света (процесс, известный как биолюминесценция), широко используется в экспериментальной биологии в качестве репортерного белка. В природе именно эта реакция помогает светиться светлячкам, и фермент светлячка является наиболее популярным в лабораториях. Биолюминесценция также используется для визуализации отдельных органов и тканей в организме лабораторных животных – для этого ген, кодирующий люциферазу, нужно заставить экспрессироваться в клетках нужной ткани. Люминесценцию при этом можно детектировать при помощи CCD-камеры.

Природный субстрат фермента – люциферин – в целом довольно плохо проникает в ткани и задерживается гематоэнцефалическим барьером, поэтому система плохо подходит для визуализации мозга. Чтобы преодолеть эти ограничения, химики разработали несколько синтетических субстратов для люциферазы. Японские ученые из института исследования мозга RIKEN показали, что один из них, акалюмин (AkaLumine), лучше всего подходит для визуализации глубоко залегающих тканей. Этот субстрат хорошо распределяется в организме, способен проникать в мозг, а самое главное, спектр люминесценции для него смещен в ближнюю инфракрасную область, поэтому излучение не поглощается тканями и его легко детектировать.

Чтобы оптимизировать люциферазу светлячка для работы с акалюмином, ученые провели несколько раундов случайного мутагенеза гена люциферазы, на каждом этапе отбирая лучшие варианты по силе люминесценции (этот метод называется направленной эволюцией белка). Итоговый вариант, который назвали Akaluc, содержал по сравнению с природной люциферазой 28 аминокислотных замен и окислял акалюмин на порядок более эффективно. Проверка in vivo показала, что мутантная люцифераза, к тому же, в несколько раз эффективнее синтезируется в клетках.

Для доказательства пригодности новой системы в качестве инструмента визуализации исследователи поставили несколько экспериментов на животных. В первом эксперименте мыши в кровь вкололи экспрессирующие Akaluc раковые клетки линии HELA и акалюмин. Большая часть клеток после этого застряла в легочных каппилярах, где ученые, благодаря сигналу люминесценции, в 50 раз превышающему значение для обычной люциферазы, смогли их наблюдать. Для детекции оказалось достаточно ввести мышам всего несколько клеток (от одной до десяти).

Во втором эксперименте мышам в полосатое тело мозга вкололи вирусный вектор с мутантной люциферазой. Оказалось, что сигнал люминесценции достаточно силен, чтобы активность полосатого тела свободно двигающихся животных можно было регистрировать на видео. При этом акалюмин можно было не колоть, а просто добавлять мышам в поилку. В другом эксперименте ученым удалось зарегистрировать активность нейронов гиппокампа, экспрессирующих мутантную люциферазу, при обучении мышей в лабиринте.

В последней части работы исследователи проверили эффективность работы системы в мозге обезьяны-мармозетки. Животному также ввели ген мутантной люциферазы в составе вирусного вектора в правую часть полосатого тела. Сигнал люминесценции можно было наблюдать при помощи камеры абсолютно неинвазивно через 20-30 минут после того, как обезьяне давали акалюмин. Экспрессия люциферазы в мозге животного продолжалась как минимум в течение года после введения в мозг. При этом поведение обезьяны было абсолютно нормальным, то есть система визуализации не обладала никакими побочными эффектами. Авторы работы подчеркивают, что новая система обладает огромным потенциалом для картирования и визуализации работы нейронов у животных в естественных условиях.

Для биовизуализации исследователи ранее также успешно применили флуоресцентные наночастицы – квантовые точки. При помощи квантовых точек на основе арсенида индия ученым удалось по изменению интенсивности свечения зарегистрировать дыхание и сердцебиение свободно двигающейся мыши и проследить за ростом опухоли в ее организме.

Дарья Спасская

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.