Un nuovo sistema per amplificare i segnali di espressione genica potrebbe essere un punto di svolta per gli scienziati che studiano i processi regolatori nelle cellule che sono fondamentali per tutta la vita.

Il laboratorio della bioscienziata Laura Segatori della Rice University ha sviluppato un versatile amplificatore di segnale genico che può svolgere un lavoro migliore nel rilevare l'espressione dei geni bersaglio rispetto ai metodi attuali.

In definitiva, i ricercatori sperano che il sistema a due moduli semplifichi la diagnosi di malattie come l'Alzheimer, diabete e alcuni tumori caratterizzati da modelli distintivi di espressione proteica. Hanno detto che potrebbe anche consentire terapie cellulari con cui le cellule malate potrebbero creare la propria medicina nel momento del bisogno.

Il loro lavoro è descritto in Natura chimica biologia .

Il primo modulo fa parte di una stringa di codice genetico sintetico aggiunto al DNA di una cellula di mammifero tramite l'editing CRISPR-Cas9. Una volta integrato adiacente a un gene bersaglio, il codice abilita un circuito genetico che monitora il gene e, ogni volta che il gene produce una proteina, il circuito emette anche una proteina fluorescente verde (GFP). Il circuito è progettato per amplificare il segnale GFP e consentire il rilevamento di cambiamenti molto piccoli nel gene bersaglio che non sono sempre possibili con gli strumenti attuali.

Quando il gene è inattivo, il secondo modulo basato su un anticorpo trovato per la prima volta nei cammelli interrompe la produzione della proteina fluorescente e degrada eventuali GFP nelle vicinanze. La combinazione fornisce ai ricercatori un forte segnale "on-off" che è anche sensibile alle dinamiche di espressione del gene bersaglio. Quando l'espressione genica aumenta, il circuito attiva l'espressione di GFP e allo stesso tempo inibisce l'espressione di regolatori negativi di GFP, come il nanobody.

"Essere in grado di monitorare l'espressione genica con un'elevata sensibilità è davvero importante per una varietà di applicazioni biomediche, "Segatori ha detto. "È importante avere un sistema di rilevamento che sia sensibile anche a piccoli cambiamenti nell'espressione genica, che sono spesso biologicamente rilevanti. È anche fondamentale per un sistema di rilevamento che fornisca una buona risoluzione dinamica in modo da poter seguire le dinamiche di espressione genica, che sono tipicamente un determinante chiave del comportamento cellulare.

"Questo è ciò che essenzialmente fa il nostro amplificatore di segnale genetico, " ha detto. "Abbiamo sviluppato un circuito genetico che, Prima di tutto, possiamo collegarci a qualsiasi gene nel cromosoma, generando così uno strumento che ricapitoli il contesto cromosomico con tutta la complessità di regolazione ad esso associata. Non abbiamo nessun tipo di reporter extracromosomici. Questo approccio fornisce un modo sensibile per monitorare tutti i meccanismi regolatori ed epigenetici che regolano l'espressione genica.

"Poi abbiamo sviluppato un metodo per amplificare il segnale in modo da poter monitorare piccolissimi cambiamenti nell'espressione, " ha detto. "È molto robusto e stabile e ha un'elevata risoluzione dinamica".

Il sistema può essere adattato per monitorare potenzialmente qualsiasi gene cellulare, disse Segatori. "Possiamo creare sistemi reporter multiplex per monitorare gruppi di geni che sono rilevanti per lo sviluppo di una certa malattia o che forniscono una lettura completa per un determinato percorso di segnalazione o fenotipo, " lei disse.

Il team ha dimostrato il metodo su una varietà di cellule e ha generato un reporter multiplex per monitorare i marcatori associati a tre vie di segnalazione che rispondono allo stress nel reticolo endoplasmatico di una cellula di mammifero. Hanno scoperto che il circuito ha potenziato il segnale fluorescente abbastanza da rilevare anche piccoli cambiamenti nell'espressione.

Il secondo modulo, un circuito NanoDeg introdotto dal laboratorio Rice nel 2017, è un controllo post-traduzione che conferisce al sistema la sua ampia gamma dinamica, disse Segatori. "In condizioni basali, il circuito esprime non solo un regolatore trascrizionale che inibisce l'espressione di GFP ma anche molecole NanoDeg che degradano qualsiasi GFP presente nel sistema, così la cella diventa completamente buia, " ha detto. "E possiamo mettere a punto il sistema per adattarlo alla rilevazione di geni con diversa espressione basale utilizzando dosi appropriate di induttori dei componenti del circuito".

Gli esperimenti hanno confermato che l'integrazione del sistema nel cromosoma della cellula non influenza l'espressione dei geni bersaglio.

Nell'ambito dello studio, il laboratorio ha anche sviluppato un modello matematico che i ricercatori possono utilizzare per personalizzare la piattaforma dell'amplificatore per monitorare qualsiasi gene bersaglio e prevedere le dosi ottimali di induttori di piccole molecole utilizzati per regolare l'espressione genica.

Segatori e il suo team stanno lavorando per potenziare la piattaforma, sviluppato principalmente dallo studente laureato Rice e autore principale Carlos Origel Marmolejo, per curare la malattia.

"Attualmente c'è un grande interesse nello sviluppo di terapie cellulari che rispondono al feedback, "Segatori ha detto. "La nostra piattaforma potrebbe consentire la produzione di terapie in risposta al rilevamento di firme di espressione genica rilevanti per una determinata malattia o condizione ambientale".