用光来控制蛋白质从细胞核转运

借助于光敏的遗传修饰的植物蛋白，光可用于控制蛋白质从细胞核中的转运。来自海德堡大学和德国癌症研究中心(DKFZ)的生物学家在光遗传学领域工作，现在已经开发出了这样一种工具。研究人员在Barbara Di Ventura博士和Roland Eils教授的指导下，采用了合成生物学的方法，并将燕麦植物的光传感器与传输信号相结合。这使得可以使用外部光来精确控制哺乳动物细胞中蛋白质的位置并因此控制其活性。这项研究的结果发表在Nature Communications杂志上。

真核细胞的特征在于细胞核和细胞其余部分之间的空间分离。“这一细分保护了复制和读取遗传信息所涉及的机制，使其免受蛋白质合成或能源生产等其他细胞过程造成的破坏，”海德堡大学BioQuant中心主任，Ruperto Carola生物信息学系主任Eils教授解释说。 DKFZ。蛋白质和其他大分子通过核孔复合物进出细胞核，以控制许多生物过程。

虽然较小的蛋白质被动地扩散通过核孔，但较大的颗粒必须锁定在所谓的载体蛋白上才能进行。通常，蛋白质表面上的短肽会向蛋白质准备好运输的载体发出信号。该信号被称为用于运输到细胞核中的核定位信号(NLS)，以及用于从核移出的核输出序列(NES)。“人工诱导选定蛋白质的进口或出口将使我们能够控制它们在活细胞中的活动，”Eils教授部门负责人Di Ventura博士说。

Di Ventura实验室专门研究光遗传学，这是一个相对较新的合成生物学研究领域。光遗传学将光学和遗传学方法结合起来，目的是利用光来打开和关闭活细胞中的某些功能。为此，对光敏蛋白进行遗传修饰，然后将其引入特定的靶细胞，从而可以使用光来控制它们的行为。

最近发表的报道光遗传输出系统的工作建立在调查LOV2结构域的其他工作组的先前研究的基础上，该研究领域最初来自燕麦植物。在自然界中，该区域充当光传感器，并且除其他外，帮助植物定向于阳光。该研究的主要作者Dominik Niopek解释说，LOV2结构域一旦与蓝光接触，就会从根本上改变其三维结构。

光诱导结构变化的特性现在可以专门用于合成控制细胞信号序列 - 如核输出信号(NES)。Dominik Niopek首先开发了一种由燕麦的LOV2结构域和合成核输出信号组成的杂合LOV2-NES蛋白。在黑暗状态下，信号隐藏在LOV2域中，对细胞不可见。光导致LOV2的结构发生变化，这使得NES可见并触发从核中输出LOV2结构域。

“原则上，杂合体LOV2-NES蛋白可以附着在任何细胞蛋白上，用于控制它从光核中的输出，”Eils教授说。研究人员和他的团队使用p53蛋白证明了这一点，p53蛋白是癌症抑制蛋白家族的一员，可监测细胞生长并防止细胞分裂过程中的遗传缺陷。根据Roland Eils的说法，p53在许多侵袭性肿瘤中因有害的基因突变而被关闭，这些突变使肿瘤细胞不受控制地繁殖。

使用LOV2-NES蛋白，海德堡研究人员能够利用光控制从细胞核输出p53，从而控制其基因调控功能。“这种在活体哺乳动物细胞中直接控制p53的新能力具有深远的解释其复杂功能的潜力。我们希望能够发现关于p53调控中与癌症发展有关的可能缺陷作用的新线索，”Dr博士说。 。迪文图拉。

研究人员相信，他们的新光遗传工具也可用于重要发现蛋白质运输的动力学及其对细胞行为的影响。“我们的研究与我们的工具一样好，”艾尔斯教授说。“因此，创新分子工具的发展是理解基本细胞功能以及引起疾病的机制的关键。”