Наблюдение за работой генов

Теперь ученые могут наблюдать экспрессию отдельных генов в человеческой клетке в реальном времени. Знание о динамике экспрессии гена может помочь объяснить вариации этого процесса у генетически идентичных клеток, а также молекулярные механизмы возникновения опухолей.

Ранее, чтобы описать процесс синтеза белков, биохимики и биологи клетки изучали поведение тысяч или миллионов клеток, а затем использовали усредненные данные для характеристики процесса. Позже, в 1990-х гг. ученые разработали методику, позволяющую маркировать гены таким образом, чтобы они продуцировали флуоресцентный сигнал в момент синтеза молекулы мРНК, на основе которой далее строится интересующий белок [1]. Ученые получили видеоизображения нескольких генов бактерий и одноклеточных эукариотических организмов и обнаружили, что каждый раз при синтезе молекулы мРНК происходит вспышка и угасание флуоресцентного сигнала [2]. Однако до настоящего времени никто не применял методов визуализации для наблюдения за работой генов млекопитающих.

Главной проблемой более ранних методов, применяющихся для визуализации процесса транскрипции в клетках млекопитающих (синтеза мРНК на основе ДНК генов), было то, что приходилось внедрять в клетку тысячи копий меченых генов, которые, оказавшись внутри клетки, в случайном порядке встраивались в геном, а, поскольку известно, что в одних участках генома транскрипция идет активно и с высокой скоростью, а в других – нет, такой процесс мог препятствовать экспрессии других генов.

«Мы создали особую клеточную линию, содержащую в своем геноме специальную целевую последовательность ДНК, куда и будет внедряться ген, - говорит Ярон Шав-Тал (Yaron Shav-Tal), клеточный биолог из Университета Бар-Илан (Bar-Ilan University) в Рамат-Гане (Израиль), - Таким образом, можно получить разные клеточные линии и не беспокоиться относительно того, куда встроится ген».

Шав-Тал и его коллеги подробно описали свой метод в статье, недавно опубликованной в журнале Nature Methods. Для проверки метода они создали 2 клона человеческих эмбриональных клеточных линий с измененной версией гена циклина D1, контролирующего клеточный цикл. Оба клона содержали последовательность ДНК, которая позволяла специальному флуоресцентному белку, синтезируемому клеткой, связываться с мРНК гена циклина D1 в момент транскрипции. Экспрессия гена в одном из клонов осуществлялась с помощью естественного промотора – участка ДНК, распознаваемого ферментом полимеразой, которая синтезирует мРНК на основе молекулы ДНК. Другой клон клеток содержал в гене специальный вирусный промотор, повышавший экспрессию генов, проводя к синтезу большого количества мРНК.

Визуализируя процесс на уровне одного гена, ученые могли наблюдать разную механику процессов транскрипции, опосредованных человеческим и вирусным промоторами. Клетки с обычным промотором останавливались на 20 минут каждые 200 минут, в то время как клетки с вирусным промотором оставались активными в течение 10 часов.

По словам Шав-Тала, метод позволит исследователям изучать механизмы работы и других промоторов, таких, например, как феномен пульсирования синтеза гормонов, продуцируемых клетками эндокринной системы. «Теперь люди поймут, что даже в целой популяции клеток, которые кажутся идентичными, каждая имеет свой неповторимый профиль экспрессии генов».