Mokytis programuoti korinio atminties

Week 6 (Birželis 2019).

Anonim

Ką daryti, jei galėtume planuoti gyvas ląsteles, kad galėtume daryti tai, ką mes norėtume, kad jie tai atliktų kūne? Turint tokią kontrolę - pagrindinį sintetinės biologijos tikslą - galėtų būti sukurta ląstelių terapija, kuri vieną dieną galėtų pakeisti tradicinius vaistus tokioms ligoms kaip vėžys. Tačiau norint pasiekti šį ilgalaikį tikslą mokslininkai pirmiausia turi išmokti programuoti daugelį pagrindinių dalykų, kuriuos atlieka ląstelės, pvz., Bendrauja vienas su kitu, pakeičia savo likimą tam tikru ląstelių tipu ir prisimena cheminius signalus, kuriuos jie susidūrėme.

Dabar "Caltech" biologų Michael Elowitz, Lacramioara Bintu ir John'o Yongo (PhD '15) vadovaujamų mokslininkų komanda ėmėsi svarbaus žingsnio, kad galėtų programuoti tokios rūšies mobiliąsias atmintis, naudojant priemones, kurias ląstelės vystėsi natūraliai. Suderinus sintetines biologijos metodus su nenuostolingais filmais, kuriuose seka atskirų ląstelių elgseną, jie nustatė, kaip keturi baltymų grupės, vadinamos chromatino reguliatoriai, elementai nustato ir kontroliuoja ląstelės gebėjimą išlaikyti tam tikrą genų ekspresijos būseną - prisiminti tai - netgi po to, kai signalas, kuriuo nustatoma, kad ši valstybė jau nebėra.

Mokslininkai savo išvadas pateikė žurnalo " Science" vasario 12 d.

"Mes priėmėme vieną iš svarbiausių chromatino reguliatorių, norėdami išbandyti, kad suprastume ne tik tai, kaip jie natūraliai naudojami, bet ir tai, kokie specialieji gebėjimai yra kiekvieno iš jų", - sako Elowitzas, biologijos ir bioinžinerijos profesorius "Caltech" ir " Howard Hughes medicinos institutas (HHMI). "Mes žaidžiame su jais, kad sužinotume, kaip mes galime juos padaryti mums".

Gyvūnų ląstelės naudoja ne šimtai skirtingų chromatino reguliatorių, o vieninteliu baltymu, norėdami užprogramuoti visus "prisiminimus" apie genų ekspresiją. Šie baltymai kiekvienas iš esmės yra vienodi - jie keičia DNR regioną, norėdami pakeisti geno ekspresiją. Tai kelia klausimą, kodėl ląstelių reikia visų šių skirtingų chromatino reguliatorių? Bet sistemoje įdiegta daugybė atleidimo iš darbo, arba kiekvienas reguliatorius iš tikrųjų atlieka kažką unikalaus. Ir jei pastarasis yra, sintetiniai biologai norėtų sužinoti, kaip geriausiai naudoti šiuos reguliatorius kaip įrankius, kaip pasirinkti idealų baltymą, kad pasiektų tam tikrą poveikį arba tam tikrą korinio atminties tipą.

Ieškodama atsakymų, mokslininkai kreipėsi į požiūrį, kurį Elowitzas vadina "statyti suprasti". Užuot pradėję sudėtingą procesą ir bandydami išskirti jo sudedamąsias dalis, mokslininkai sukūrė tikslinę biologinę sistemą ląstelėse iš apačios į viršų, suteikiant galimybę iš tikrųjų stebėti, kas atsitinka su kiekvienu jų įvestu pakeitimu.

Šiuo atveju tai reikšdavo klijuoti skirtingus chromatino reguliatorius-keturis genas-silencingus baltymus iki konkretaus DNR sekcijos ir pamatyti, kaip kiekvienas elgėsi. Norėdami tai padaryti, mokslininkai sukūrė ląsteles, kad, pridedant mažą molekulę, vienas iš genų silenančių reguliatorių sukibtų prie DNR greta tam tikro geno, kuris koduoja fluorescuojantį baltymą. Stebėdami fluorescenciją atskirose ląstelėse, tyrėjai galėjo lengvai nustatyti, ar reguliatorius išjungė šį geną. Tyrėjai taip pat galėtų išleisti reguliatorių iš DNR ir pamatyti, kiek laiko genas prisiminė jo poveikį.

Nors yra šimtai chromatino reguliatorių, juos galima suskirstyti į maždaug keliolika platesnių klasių. Šio tyrimo metu mokslininkai ištyrė reguliatorius iš keturių biocheminių skirtingų klasių.

"Mes bandėme įvairovę, kad galėtume sužinoti, ar skirtingi yra jums skirtingų elgesio tipų", - aiškina Bintu. "Pasirodo, jie daro".

Kartą per mėnesį tyrėjai naudojo mikroskopiją ar srauto citometriją, kad stebėtų gyvąsias ląsteles, naudodamos ląstelių sekimo programinę įrangą, kurią jie parašė, ir filmus, kurių metu nenorima matyti atskirų ląstelių, augti ir suskaidyti. Kai kuriais atvejais, po reguliatoriaus išsiskyrimo, ląstelės ir jų dukterinės ląstelės dienomis palieka tamsesnes, o po to atsinaujina, o tai rodo, kad jie prisiminė modifikaciją trumpalaikiai. Kitais atvejais ląstelės niekada nepradėjo atsinaujinti, nurodant daugiau nuolatinės atminties.

Po pakeitimo genai visada būdavo vienoje iš trijų būsenų - "budrūs" ir aktyviai gamindami baltymus, "miegančius" ir neaktyvius, bet galėjusius pabusti per kelias dienas ar "komoje" ir negalintys būti pažadinti per 30 dienos. Kiekvienoje ląstelėje genai visada buvo visiškai įjungti arba išjungti.

Tai leido mokslininkams nustebinančią išvadą, kad reguliatoriai nekontroliuoja konkretaus geno konkrečioje ląstelėje lygio ar laipsnio išraiškos, o kiek skaičių ląstelių populiacijoje turi tą geną.

"Jūs kontroliuojate tikimybę, kad kažkas yra įjungtas arba išjungtas, " sako Elowitz. "Manome, kad tai yra kažkas, kas paprastai yra labai naudinga daugelio ląstelių organizme, - kad daugeliu atvejų organizmas gali norėti pasakyti ląsteles:" Aš tiesiog noriu, kad 30 procentų iš jūsų išskirstytų. Jūs neturite to padaryti. " Ši chromatino reguliavimo sistema atrodo paruošta užsakymams, tokiems kaip ".

Be to, mokslininkai nustatė, kad kiekvieno iš keturių chromatino reguliatorių atminties tipas buvo kitoks. Viena pagaminta nuolatinė atmintis, išjungia geną ir visas 30 dienų perduoda ląstelių dalį komoje. Viena gauta trumpalaikė atmintis, o ląstelės iš karto atsibunda. "Iš tiesų įdomus dalykas, kurį mes radome, yra tai, kad kai kurie reguliatoriai suteikia tokios hibridinės atminties, kur kai kurios ląstelės pažadinamos, o dalis ląstelių lieka gilioje komoje", - sako Bintu. "Kiek komoje yra, priklauso nuo to, kiek laiko jūs nurodėte, kiek laiko chromatino reguliatorius pritvirtino."

Tuo pačiu metu grupė ketina studijuoti papildomus chromatino reguliatorius taip pat, geriau suprasdami, kaip jie naudojami ląstelėje, taip pat kaip jie gali veikti kartu. Ilgainiui jie nori šiuos baltymus įdėti kartu su kitais ląstelių komponentais ir pradėti programuoti sudėtingesnį vystymosi elgesį sintetinėse grandinėse.

"Tai yra žingsnis į priekį realizuojant šią besivystančią programuojamų ląstelių terapijos viziją", - sako Elowitzas. "Tačiau mes taip pat atsakome į daugiau pagrindinių mokslinių tyrimų klausimų. Mes tai vertiname kaip dvi tos pačios monetos pusės. Mes nesugebėsime efektyviai programuoti ląstelių, kol mes nesuprantame, kokių gebėjimų jie teikia pagrindinėse kryptyse."

menu
menu