控制基因与光

尽管人类细胞有估计有20000个基因,只有一小部分是在任何给定的时间,取决于细胞的需求可以改变小时分钟。为了找出这些基因在做什么,研究人员需要工具,可以操纵他们的地位在同样短的时间尺度。

现在,多亏了一项新技术,由哈佛大学和麻省理工学院的研究人员广泛的研究所工作,可以快速启动或停止任何感兴趣的基因的表达通过细胞闪亮的光。

工作是基于一个被称为光遗传学技术,它使用蛋白质,改变他们的函数作为回应。在这种情况下,研究人员采用光敏蛋白质刺激或抑制特定的目标基因的表达后几乎立即光来了。

马克布里格姆,一个研究生在哈佛大学工程与应用科学学院的,和西尔瓦娜Konermann,麻省理工学院的一名研究生,是一篇论文的联合作者描述技术,将在7月23日发表在《自然》杂志上。

能够精确地控制基因表达的时间和持续时间应该让你更容易找出特定基因的角色,特别是参与学习和记忆。新系统也可以用来研究表观遗传modifications-chemical改变蛋白质的dna,周围也认为在学习和记忆起着重要的作用。

闪亮的光基因

新系统包括几个组件相互作用控制DNA的复制成信使核糖核酸(mRNA),携带遗传指令的其他细胞。第一个是一种dna结合蛋白被称为转录activator-like效应(故事)。故事是模块化的蛋白质,可以串联在一起,定制绑定任何DNA序列的方法。

融合故事蛋白是一种光敏蛋白称为CRY2自然是发现在拟南芥中,一个小的开花植物。当光照射到CRY2,它改变了形状和绑定到其自然的伴侣蛋白质,称为CIB1。利用这一点,研究人员研制出一种形式的CIB1融合到另一个蛋白质,可以激活或抑制基因的复制。

基因为这些组件后交付给一个细胞,故事蛋白发现其目标DNA和包装。当光照在细胞,CIB1 CRY2蛋白结合,这是漂浮在细胞。CIB1带来沿着基因激活,启动转录,或DNA的复制到mRNA。另外,CIB1可以携带阻遏,关闭了这个过程。

单个脉冲的光足以刺激蛋白结合并启动DNA复制。研究人员发现的光脉冲交付每一分钟左右是最有效的方法来实现连续转录所需的时间。在30分钟内光的交付,研究者发现信使rna产生的数量增加的目标基因。一旦停止脉冲,信使rna在大约30分钟开始降低。

“细胞非常活跃基因表达发生在相当短的时间尺度,但到目前为止的方法被用来扰乱基因表达甚至不接近这些动态,“Konermann说。“更好地理解基因表达变化的功能影响,我们必须能够与自然发生的动力学尽可能匹配。”

在这项研究中,研究人员试图针对近30种不同的基因,在神经元生长在实验室和动物生活。根据基因靶向和多少通常表示,研究人员能够促进转录两到200倍。

卡尔·戴瑟罗斯,斯坦福大学生物工程教授,光遗传学的发明家之一,说最重要的创新技术,它允许控制的自然发生在细胞的基因,而不是基因工程由科学家。

“你可以控制,精确的时候,一个特定的基因位点,看看所有响应,高时间精度,”戴瑟罗斯说,他并没有研究团队的一部分。

表观遗传修饰

另一个重要的元素控制基因表达的表观遗传修饰。一个主要的表观遗传效应物的化学改性蛋白质,称为组蛋白,锚染色体DNA和控制访问底层的基因。研究人员表明,他们也可以改变这些故事融合蛋白质表观遗传修饰的组蛋白修饰符。

表观遗传修饰被认为扮演一个关键的角色在学习和形成记忆,但这并没有很好地探索因为没有好方法扰乱修改,阻断组蛋白修饰的整个基因组。这项新技术提供了更准确的方法干扰个体基因的修改。

“我们想让人们证明的因果作用的特定基因组的表观遗传修饰,”冯说资深作者,神经科学助理教授和麻省理工学院的生物工程的核心成员广泛的学院和麻省理工学院麦戈文脑研究所。

到目前为止,研究人员已经证明了一些组蛋白的效应域可以拴在光敏蛋白质;他们现在正试图扩大类型的组蛋白修饰符可以纳入系统。

“这将是非常有用的扩展的表观遗传标记的数量我们可以控制。目前我们有一个成功的组蛋白修饰,但更多的人是一个很好的协议,我们和其他人希望能够使用这种技术,”布里格姆说。

这项研究是由一个休伯特舒梅克奖学金;美国国立卫生研究院的变革性R01奖;美国国立卫生研究所主任先驱奖;凯克,麦克奈特,法兰,达蒙·鲁尼恩塞尔学者,Klingenstein和西蒙斯基础;梅特卡夫和鲍勃和简保利。