Forscher entwickeln neue Wege zur Kontrolle von Genen

Wissenschaftler haben einen Weg gefunden, Gene innerhalb von Hefe und menschlichen Zellen ein- oder auszuschalten, indem sie den Punkt kontrollieren, an dem DNA in Boten-RNA kopiert wird, laut einer in der Zeitschrift veröffentlichten Studie ACS Synthetische Biologie.

Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) sagen, dass diese Entdeckung es Wissenschaftlern ermöglichen könnte, die Rolle der Gene besser zu verstehen, die Entwicklung von Zellen zu erleichtern und zu besseren Medikamenten und Behandlungen zu führen.

Die neue Methode basiert auf einem System namens CRISPR, das aus zwei Komponenten besteht. Das erste ist ein Protein, das an DNA bindet und diese schneidet, während die zweite Komponente ein kurzer RNA-Strang ist, der das Protein an die erforderliche Stelle innerhalb des Genoms führt.

"Das CRISPR-System ist sehr leistungsfähig, da es auf verschiedene DNA-bindende Regionen ausgerichtet werden kann, basierend auf einer einfachen Rekodierung dieser Leit-RNAs", sagt Timothy Lu, Assistenzprofessor für Elektrotechnik, Informatik und Bioingenieurwesen am MIT.

"Indem Sie einfach die RNA-Sequenz umprogrammieren, können Sie dieses Protein an jeden gewünschten Ort im Genom oder in einem synthetischen Kreislauf leiten", fügt er hinzu.

CRISPR als "Transkriptionsfaktor" verwendet

Für die Studie entschieden die Forscher, CRISPR zu verwenden, um Gentranskription zu kontrollieren - der Prozess, durch den eine Reihenfolge der DNA in messenger RNS (mRNA) kopiert wird. Dies führt Anweisungen aus dem Gen aus.

Proteine, die als "Transkriptionsfaktoren" bekannt sind, regulieren die Transkription stark, erklären die Forscher. Diese Proteine ??heften sich an bestimmte DNA-Sequenzen in der "Promotorregion" des Gens und initiieren oder blockieren dann die Enzyme, die benötigt werden, um das Gen in mRNA zu kopieren.

Um den CRISPR als Transkriptionsfaktor zu nutzen, modifizierten die Forscher das Standard-CRISPR-Protein, Cas9 genannt, um sicherzustellen, dass es die DNA nach der Bindung nicht mehr "herausschnippelte". Ein Segment wurde auch zu dem Protein hinzugefügt, das die Genexpression durch Änderung der Transkriptionsmaschinerie der Zelle auslöst oder inhibiert.

Die Forscher lieferten außerdem ein Gen für einen "RNA-Guide" an die Zielzellen, um Cas9 in die richtige Region zu schieben. Der RNA-Guide arbeitet entsprechend einer DNA-Sequenz auf dem Promotor des Gens, das sie aktivieren wollen.

Die Gentranskription könnte ein- oder ausgeschaltet sein

Das Ergebnis der Studie zeigte, dass die Forscher, sobald der RNA-Guide und das Cas9-Protein innerhalb der Zielzelle verknüpft waren, das korrekte Gen genau anvisieren und die Transkription einschalten konnten.

Darüber hinaus waren sie überrascht, dass dieser Prozess auch verwendet werden könnte, um die Gentranskription zu blockieren, wenn sie auf einen anderen Bereich des Gens gerichtet ist.

"Das ist insofern interessant, als es Ihnen erlaubt, mit demselben Protein positive und negative Regulationen durchzuführen, aber mit unterschiedlichen Guide-RNAs, die auf verschiedene Positionen im Promoter abzielen", sagt Prof. Lu.

"Leichterer Aufbau synthetischer Schaltungen"

Die Forscher fügen hinzu, dass dieses System im Vergleich zu anderen Transkriptionskontrollsystemen, die auf DNA-bindenden Proteinen basieren, viel flexibler und einfacher zu verwenden ist.

Prof. Lu sagt:

"CRISPR ist sehr flexibel und kommt daher, dass Sie nicht mehr Zeit mit Protein-Engineering verbringen müssen. Sie können nur die Nukleinsäuresequenz der RNAs ändern.

Ich denke, es wird es viel einfacher machen, synthetische Schaltungen zu bauen. Es sollte den Maßstab und die Geschwindigkeit erhöhen, mit der wir eine Vielzahl synthetischer Schaltkreise in Hefezellen und Säugetierzellen aufbauen können. "

Das neue System wurde auch geschaffen, damit es durch bestimmte kleine Moleküle, die der Zelle hinzugefügt werden können, wie Zucker, die Forscher sagen, induziert werden kann.

Um diesen Prozess durchzuführen, wurden die Gene für die Leit-RNAs hergestellt, um sicherzustellen, dass sie nur in Gegenwart des kleinen Moleküls produziert werden. Sie fügen hinzu, dass es keine Leit-RNA gibt, wenn kein kleines Molekül vorhanden ist, was bedeutet, dass das Zielgen nicht gestört ist.

Prof. Lu bemerkt, dass diese Art von Kontrolle sich für weitere Studien als nützlich erweisen könnte, die die Rolle von natürlich vorkommenden Genen untersuchen, indem sie diese über verschiedene Punkte der Krankheitsprogression oder -entwicklung ein- und ausschalten.

Er fügt hinzu, dass die nächsten Schritte aus dieser Forschung darin bestehen, weiter fortgeschrittene synthetische Schaltkreise zu bauen, die auf der Grundlage einer Vielzahl von Eingaben aus der Zellumgebung "Entscheidungen treffen" können.

"Wir würden gerne in der Lage sein, dies zu skalieren und die komplexesten Schaltungen zu demonstrieren, die jemals in Hefezellen und Säugerzellen gebaut wurden", sagt Prof. Lu.

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