使用光调节基因转录

由Mustafa Khammash领导的研究人员开发了一种新方法，该方法使用蓝光控制单个细胞中DNA转录为RNA。该技术还可用于组织工程和干细胞研究。转录是一种基因生物学过程，其中基因被复制到RNA分子。这涉及蛋白质，包括转录因子和称为RNA聚合酶的分子机器。

为了开始转录过程，转录因子必须首先附着到DNA的特定部分。这触发了导致RNA聚合酶与DNA对接的各种过程。然后该蛋白质复合物解开双螺旋，以便读取基因的序列并将其复制到RNA分子中。所谓的信使RNA是该基因的可运输拷贝，其作为蛋白质合成的模板。

尽管受到许多分子参与者的强烈调控，转录输出通常在细胞之间表现出高水平的变异性。这种可变性部分地源于这样的事实：转录基于分子的随机相遇，例如转录因子和特定的DNA序列。因此，特定基因的转录可以在每个细胞中不同地进行; 它在某些情况下开始得更快，在其他情况下则根本没有。更好地理解这种变异的来源并获得对转录过程的更大控制是一个重要的研究目标。

由巴塞尔生物系统和工程系控制理论和系统生物学教授Mustafa Khammash领导的研究小组现在已经找到了一种控制何时启动转录的新方法，并使用光遗传平台调节形成的RNA分子的数量这是ETH研究人员最近在“ 分子细胞 ”杂志上发表的文章。这使得细胞之间的可变性得以减少，并允许对转录动力学的新见解。

个人反馈，个人监管

该平台允许研究人员用蓝光照射单个酵母细胞，持续时间和强度不同。通过引入外源基因，这些细胞已经过基因工程改造，通过激活转录因子从而促进特定基因的转录，从而对这种颜色的光作出反应。该基因的转录物即信使RNA用荧光蛋白标记，当转录正在发生时，其产生明亮的荧光点。

可以使用荧光显微镜对这些斑点进行成像和评估。研究人员将这个系统与计算机联系起来，计算机计算在给定时间内转录的RNA分子数量，并确定每个细胞接下来应接收的光量，以便根据需要或指定方式调节其转录。

关于转录动力学的新见解

“由于这种设置，我们能够证明转录激活和失活很快发生，”ETH教授Khammash说。他的团队进一步确定转录发生在突发中，其持续时间和时间由转录因子活动调节。由于他们的反馈机制，研究人员还能够减少不同细胞之间转录输出的差异。

作为一项测试(为庆祝生物系统部去年10周年)，研究人员使用蓝光将数字10投射到酵母细胞上。响应于光，在被照射的细胞中开始转录，这导致在所需位置形成明亮的荧光斑点。

动态信号可降低可变性

所描述的控制方法具有局限性：它只能在显微镜下使用，而不能在试管或生物反应器中使用，在那里需要控制生物技术过程。

为克服这一局限，研究人员转向动态信号。与控制基因活性的常规方法相反，光的使用允许使用复杂的动态信号控制细胞。通过比较不同类型的信号，研究人员在Nature Communications发表的一项研究中观察到，单个细胞对脉动信号的反应精度高于恒定信号。现在，这可以以更简单的方式更好地控制大量细胞。此外，结果暗示了一种可能的策略，通过该策略可以在自然细胞群体中调节变异性。

Khammash很高兴这些项目取得了成功。他和他的同事最初是出于纯粹的好奇心而开始这项研究，没有任何具体的应用。“最重要的是，我们想知道我们是否可以控制转录过程的随机元素，”他说。“这是一项真正的技术挑战。”

他现在认为他的平台可能是后续研究的金矿。他说，可能存在许多不同的应用，特别是在控制转录很重要的研究中。例如，遗传网络的原型可以以更快的速度开发，因为细胞间通信可以在外部进行控制，并且不再依赖于信号分子。“该平台也可以成为组织工程和干细胞研究的重要工具。” 研究人员将在未来几年内仔细研究其平台的这些应用，并已获得欧盟FET开放计划的资金支持。