Realizacja pracy naukowej, o której mowa oparta została na zasadach techniki badawczej znanej jako optogenetyka. Wykorzystuje ona białka, które zmieniają swoją funkcję pod wpływem światła. Konkretniej naukowcy dostosowywali światłoczułe białka, czynniki mogące doprowadzić albo do stymulacji, albo do hamowania ekspresji określonego genu docelowego niemal natychmiast po naświetleniu komórki.
Silvana Konermann i Mark Brigham to główni autorzy opisanych eksperymentów. Współpracowali oni z Feng Zhang pracującym w Biomedical Engineering at MIT, członkiem the Broad Institute i MIT's McGovern Institute for Brain Research. Wyszli oni od tego, że komórki charakteryzują się bardzo dynamiczną ekspresją genów, której przebieg ma miejsce w krótkim czasie. Wykorzystywane dotąd metody bazujące na zmianach ekspresji genów, zdaniem naukowców, nawet nie pozwoliły na zbliżenie do możliwości uchwycenia tej dynamiki. Aby możliwe było zrozumienie wpływu tych funkcjonalnych zmian związanych z ekspresją genów, najpierw należało więc wystarczająco dopasować dynamikę metody badawczej. Możliwość precyzyjnego kontrolowania czasu eksperymentu i czas trwania ekspresji genów musiały być dopasowane, by dać odpowiedź jaką rolę pełnią poszczególne geny. Dla twórców metody najbardziej interesującym było zagadnienie dotyczące genów zaangażowanych w uczenie się i zapamiętywanie. Nowy system może być wykorzystywany do badania zmian epigenetycznych, chemicznych zmian białek otaczających DNA, które uważne są za pełniące funkcje w procesach uczenia się i zapamiętywania.
Naświetlanie genów
Silvana Konermann, Mark Brigham i Feng Zhang stworzyli nowy system, który składa się z kilku elementów. Komponenty te współdziałają ze sobą w celu kontroli przepisywania DNA na RNA, konkretnie mRNA. Konsekwencją tego procesu jest przekazanie instrukcji genetycznej na pozostałe elementy komórki.
Pierwszy element systemu stanowią białka wiążące DNA. Są to aktywatory transkrypcji, takie jak czynnik TALE. TALE to modułowe białka, które mogą łączone ze sobą w specjalnie dostosowany sposób po to, by zasocjować dowolną sekwencję DNA. Z białkiem TALE wiąże się światłoczułe białko o nazwie CRY2, naturalnie występujące u A. thaliana. Gdy kwanty światła uderzają w CRY2, zmienia ono konformację i wiąże się ze swoim naturalnym białkowym partnerem CIB1. Gdy odpowiednie DNA jest odnajdywane, białko TALE przywiązuje się do konkretnych sekwencji. CIB1 jest dostarczycielem aktywatora genów, który inicjuje transkrypcję DNA. Alternatywnie, CIB1 mogłoby dostarczyć represor, co zakończyłoby proces. By skorzystać z tych oddziaływań, naukowcy zmodyfikowali formę CIB1, który jest przyłączony do białka, w ten sposób że może albo uaktywnić albo zahamować kopiowanie genów. Pojedynczy impuls światła wystarcza do stymulacji wiązania białek i inicjowania kopiowania DNA. Naukowcy odkryli, że impulsy światła dostarczane co minutę są najbardziej skutecznym sposobem na uzyskanie ciągłej transkrypcji w żądanej jednostce czasu. W ciągu 30 min od rozpoczęcia naświetlania wykrywalny jest niewielki wzrost ilości mRNA wytwarzanego na bazie genu docelowego. Po zakończeniu dostarczania impulsów, mRNA zaczyna być degradowane w trakcie kolejnych 30 min. Podczas eksperymentów badacze próbowali stymulować prawie 30 różnych genów, zarówno w neuronach hodowanych in vitro, jak i u żywych zwierząt. W zależności od rodzaju genu oraz jego podstawowej ilości, badacze byli w stanie zwiększyć transkrypcję, co opisano współczynnikiem o wielokrotności od 2 do 200 w każdym z przypadków.
Wyniki badań przeprowadzonych w MIT i Broad Institute skomentował Karl Deisseroth, profesor bioinżynierii na Uniwersytecie Stanforda, jeden z wynalazców optogenetyki. Jego zdaniem najważniejszą innowacją stworzonej techniki jest to, że umożliwia kontrolę genów, a nawet konkretnego locusa genetycznego, w komórce w dokładnym czasie.
Zmiany epigenetyczne
Ważnym elementem kontroli genów są zmiany epigenetyczne. Są one uważane za odgrywające główną rolę w uczeniu się i tworzeniu wspomnień. Nie są dość dobrze zbadane, ponieważ nie istnieją wystarczająco efektywne sposoby zakłócania występujących modyfikacji. Jedną z głównych klas czynników epigenetycznych jest chemiczna modyfikacja białek, w tym histonów, które kotwiczą chromosomowy DNA i kontrolują dostęp do poszczególnych genów. Naukowcy wykazali, że możliwa jest zmiana epigenetycznych modyfikacji poprzez związanie białek TALES z modyfikatorami histonów. Nowa technika oferuje znacznie bardziej precyzyjny sposób zakłócania modyfikacji poszczególnych genów. Zespół naukowców planuje prace nad udowodnieniem przyczynowej roli wysoce skonkretyzowanych epigenetycznych zmian w genomie. Do tej pory badacze wykazali, że niektóre domeny efektorowe histonów mogą być przywiązywane do światłoczułych białek. Teraz zamierzają rozszerzyć typy modyfikatorów histonów, które będzie można wykorzystać w zaproponowanym przez nich systemie. Zdaniem grupy badawczej niezwykle przydatnym byłoby poszerzenie liczby epigenetycznych markerów, które dałoby się kontrolować. Na ten moment Silvana Konermann, Mark Brigham i Feng Zhang posiadają zestaw modyfikatorów histonów, ale istnieje jeszcze wiele z nich, dla których należałoby zastosować przytoczone działania.
Badania były ufundowane przez Hubert Schoemaker Fellowship, a National Institutes of Health Transformative R01 Award, Bob Metcalfe and Jane Pauley, an NIH Director's Pioneer Award, the Keck, McKnight, Vallee, Damon Runyon, Searle Scholars, Klingenstein and Simons foundations.
KOMENTARZE