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控制活细胞中的RNA 模块化 可编程的蛋白质可用于跟踪或操纵基因表达

麻省理工学院的研究人员设计了一套新的蛋白质,可以定制以结合任意RNA序列,从而可以在活细胞内成像RNA,监测特定RNA链的作用,甚至控制RNA活性。新策略基于人类RNA结合蛋白,通常有助于指导胚胎发育。研究小组调整了这些蛋白质,使它们可以很容易地靶向所需的RNA序列。

控制活细胞中的RNA 模块化 可编程的蛋白质可用于跟踪或操纵基因表达

“你可以使用这些蛋白质来测量RNA的产生,例如RNA或蛋白质的转化,”麻省理工学院媒体实验室的生物工程和脑与认知科学副教授Edward Boyden说。“这可以在整个生物学和生物工程中具有广泛的用途。”

与先前用蛋白质控制RNA的努力不同,新的麻省理工学院系统由模块化组件组成,研究人员相信这将使得更容易进行各种RNA操作。

“模块化是工程设计的核心设计原则之一。如果你可以用可重复的部分制作东西,你就不必为设计而烦恼。你只需用可预测的,可连接的单元构建东西,”Boyden说,他是也是麻省理工学院麦戈文脑研究所的成员。

博伊登是一篇论文的高级作者,该论文描述了美国国家科学院院刊中的新系统。该论文的主要作者是博士后Katarzyna Adamala和研究生Daniel Martin-Alarcon。

模块化代码

活细胞含有许多不同作用的RNA。最着名的变种之一是信使RNA(mRNA),它从DNA中复制并携带蛋白质编码信息到称为核糖体的细胞结构,其中mRNA在称为翻译的过程中指导蛋白质组装。监测mRNA可以告诉科学家很多关于哪些基因在细胞中表达,并且调整mRNA的翻译将允许他们改变基因表达而不必修改细胞的DNA。

为实现这一目标,麻省理工学院的研究小组着手调整称为Pumilio同源域的天然蛋白质。这些RNA结合蛋白包括与构成RNA序列的核糖核苷酸碱基或“字母”之一结合的氨基酸序列 - 腺嘌呤(A),胸腺嘧啶(T),尿嘧啶(U)和鸟嘌呤(G)。

近年来,科学家们一直致力于开发这些蛋白质用于实验用途,但到目前为止,创造与特定RNA序列结合的蛋白质更像是一个试错过程。

“这不是一个真正的模块化代码,”博伊登说,指的是蛋白质的氨基酸序列。“你仍然需要根据具体情况进行调整。现在,鉴于RNA序列,你可以在纸上指定一种蛋白质来定位它。”

为了创建他们的代码,研究人员测试了许多氨基酸组合,并发现了一组特定的氨基酸,它们将在靶序列的任何位置结合四个碱基中的每一个。使用这个他们称之为Pumby(用于基于Pumilio的装配)的系统,研究人员有效地靶向长度从6到18个碱基的RNA序列。

RNA操作

在实验室培养的人类细胞实验中,研究人员表明,他们可以准确地标记mRNA分子,并确定它们被翻译的频率。首先,他们设计了两种与相邻RNA序列结合的Pumby蛋白。每种蛋白质也附着在绿色荧光蛋白(GFP)分子的一半上。当两种蛋白质都找到它们的靶序列时,GFP分子就会加入并变成荧光 - 这是研究人员发现靶RNA存在的信号。

此外,研究小组发现,每次mRNA分子翻译时,GFP都会被敲除,当翻译结束时,另一个GFP会与其结合,从而增强整体荧光信号。这允许研究人员计算mRNA的读取频率。

该系统还可用于刺激靶mRNA的翻译。为了实现这一目标,研究人员将一种称为翻译起始蛋白的蛋白质附加到Pumby蛋白上。这使它们能够显着增加通常不会经常阅读的mRNA分子的翻译。

“我们可以在不必修改基因组的情况下调高细胞中任意基因的翻译,”Martin-Alarcon说。

研究人员正在努力使用该系统标记神经元内部的不同mRNA分子,使他们能够测试不同基因的mRNA存储在神经元的不同部分的想法,帮助细胞保持平衡以执行诸如存储新的功能。回忆。“直到现在,很难看到这些mRNA发生了什么,或控制它们,”博伊登说。

这些RNA结合蛋白也可以用于构建分子组装系,其将将进行一系列产生药物或另一种目的分子的反应所需的酶结合在一起。

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