Дистанционное управление для генов.
Биологи разрабатывают новые, порой кажущиеся довольно экзотическими,
способы контроля активности генов и ферментов.
|
|
Безусловно,
методы изменения генной активности были разработаны давно, без них было бы
просто невозможно понять функции генов в клетке. Ученые, изучающие роль какого-либо
гена или его продукта - белка, уже сейчас имеют в своем арсенале достаточно
мощные орудия, чтобы повлиять на работу этого гена. Они могут, например, блокировать
генДистанционное управление для генов с помощью так называемых "антисмысловых"
последовательностей ДНК, которые при введении в клетку связываются с этим
геном и мешают ферментам считывать с него информацию. Это приведет ко временному
отключению гена. Подобного же эффекта удается достичь, заблокировав функцию
продукта гена (например, ферментативную активность, если интересующий нас
ген кодирует фермент) с помощью специфичных для него химических ингибиторов.
Если же удается нарушить структуру гена путем мутации, то такой ген
"выключится" навсегда. Этим методом пользуются для создания
длительных экспериментальных моделей - клеточных линий, которые лишены
интересующего нас гена, либо даже животных (в большинстве случаев - плодовых
мушек или мышей), дефектных в отношении продукта данного гена (их называют нокаутными по данному гену, от англ.
knock out - выбить, свести на нет).
Наконец, с помощью методов генной инженерии можно, наоборот, добавить в
клетку "лишние" копии гена, усилив таким образом его активность, а
затем посмотреть, как это отразится на интересующих нас клеточных процессах.
У
описанных подходов, однако, есть ряд недостатков. Но наиболее важно то, что,
выключив или усилив генную экспрессию этими
способами, уже нельзя повернуть процесс вспять. То есть ген будет постоянно
находиться только в положении "суперактивности" либо в выключенном
состоянии. А для некоторых целей очень хорошо бы разрешить переходы от
"вкл" к "выкл" и обратно в одной и той же клетке. Исследуя
эффект некоторого гена в процессе клеточного деления, например, интересно было
бы изменить активность интересующего нас гена строго в определенных фазах
клеточного цикла; также хотелось бы научиться регулировать генную экспрессию в
отдельных органах и их частях (например, только в ткани опухоли, но не в
прилежащих).
Для этих целей до настоящего времени биологи имели только один
инструмент. Это - специфические термочувствительные гены, состояние
"вкл" и "выкл" которых можно регулировать с помощью
температуры. Однако, во-первых, таких генов известно немного; во-вторых,
регуляция с помощью температуры не всегда удобна, а в некоторых случаях (на
уровне целого организма) - часто недостижима; изменения температуры могут также
вызывать артефакты и повреждать клетки. Наконец, этот метод невозможно
применить к отдельной клетке.
Поэтому ученые начали осваивать новые, "дистанционные" и
неповреждающие способы управления внутриклеточными процессами. Они учатся
контролировать работу генов и белков с помощью света и радиоволн. Исследователи из Университета Калифорнии
воспользовались способностью растительных протеинов - фитохромов - изменять свою пространственную структуру и
присоединять другие протеины под действием света красной области видимого спектра.
К одной из таких молекул, фитохрому B, они присоединили часть молекулы, GAL4,
контролирующей в норме активность некоторых генов у дрожжей. Вторую же часть
GAL4 они добавили к молекуле PIF3, с которой фитохром B способен соединяться
под действием света. После этого, когда на клетку упал пучок красного света,
комплексы молекул образовали конъюгат, обе части молекулы GAL4 объединились в
полноценную молекулу, которая, в свою очередь, усилила активность гена,
кодирующего фермент бета-галактозидазу.
При этом реакция может быть обращена вспять путем увеличения длины волны
подаваемого на клетку красного света.
Исследователи из Массачусетского Технологического института в Кембридже
пошли своим, более экзотическим путем. Они поставили себе задачей
"обучить" бактериальные клетки реагировать на радиосигналы. Для этого в одной серии опытов они
прикрепили микрочастицу золота к молекуле ДНК, которая обладала способностью
самопроизвольно сворачиваться в структуру, похожую на шпильку. При возбуждении
золотой "антенны" с помощью радиоволн она раскрывала концы
ДНК-шпильки. В другой серии опытов эти же ученые использовали такой подход при
работе с ферментом, который удавалось обратимо включать и выключать с помощью
электромагнитного излучения.
Развитие все более тонких подходов к манипуляции генами приближает
время, когда клетку, подобно компьютеру, можно будет программировать на
выполнение точно указанной последовательности действий. Таким образом, удастся,
в частности, разнообразить, удешевить и более четко контролировать
биотехнологические процессы при производстве лекарств.
Список
использованной литературы:
1. Quail P.H. «A light switchable gene promoter
system. Nature Biotechnology», published online, doi:10.1038/nbt734 (2002).
2. Hamad-Schifferli K., Schwartz J. J.,
Santos A.T., Zhang S., Jacobson J. M. «Remote electronic control of DNA
hybridization through inductive coupling to an attached metal nanocrystal
antenna». «Nature», V. 415, P. 152 - 155, (2002).