V laboratorijskih poskusih je mogoče s sintezno biologijo in uporabo umetnih logičnih genskih vezij sesalske celice programirati oziroma reprogramirati in jih pripraviti do tega, da se odzovejo na točno določen signal in zanesljivo naredijo to, kar raziskovalci od njih pričakujejo.



To je poenostavljen povzetek obsežne in odmevne raziskave, s katero so raziskovalci Kemijskega inštituta v Ljubljani pojasnili še nedavno za biomedicinsko znanost skrivnosten način delovanja beljakovine TALE (transcription activator like effector), kar bi lahko veliko prispevalo k razvoju celičnega zdravljenja in sodobne biotehnologije.

Sogovornica dr. Tina Lebar, prva avtorica raziskave, sicer že od študentskih let strastna raziskovalka, se je s sodelavci temeljito posvetila proteinom TALE. To so »transkripcijskim aktivatorjem podobni efektorji«, ki jih je mogoče spremeniti v pospeševalce ali zaviralce kateregakoli gena, pri čemer pa TALE z DNK izpodrine drugo beljakovino na »zelo nenavaden način«. Beljakovina TALE, ki je vezana na levi strani, namreč lahko izpodrine beljakovino, ki je vezana na desni, ne pa tudi obratno. To nenavadno lastnost so raziskovalci uporabili za izboljšanje natančnosti uravnavanja genov, za pripravo logičnih vezij v človeških celicah in preprečevanje cepitve s tehnologijo crispr na neželenih mestih DNK, kar je trenutno še precejšnja težava pri uporabi te metode.
 

Vezava na izbrane tarče

Kot je že znano, lastnosti celic in celotnih organizmov v veliki meri določa genom, ki vsebuje program DNK. Dejavnost tisočerih genov uravnavajo beljakovine, ki se vežejo na DNK v njihovi neposredni bližini. Pred desetletjem so znanstveniki že razvozlali kodo za prepoznavanje zaporedja DNK za omenjene beljakovine in dosegli nekaj odmevnih medicinskih in biotehnoloških možnosti uporabe. V zadnjem času pa je to nekoliko zasenčila tehnologija crispr, ki omogoča enake aplikacije kot TALE, a je lažja za uporabo. Zdaj ko so slovenski raziskovalci ugotovili, da so proteini TALE sposobni »nekaterih dodatnih trikov«, to morda odpira možnost, da bo TALE spet bolj v središču pozornosti. Odkrili so namreč, da ob vezavi dveh proteinov TALE na sosednji mesti tisti na levi z DNK izpodrine tistega, ki je vezan na desni, ne zgodi pa se tudi obratno.


 

Levi in desni »sosedje«

Kot slikovito razloži dr. Roman Jerala, na Kemijskem inštitutu vodja odseka za sintezno biologijo in imunologijo, ki je vodil raziskavo, si je te s prostim očesom nevidne procese najlaže predstavljati z vrsto majhnih stolov in nekom, ki že zaseda enega od njih. Ko želi nekdo drug sesti na njegovo levo stran, ugotovi, da je premalo prostora, in dregne soseda, ki mora vstati in se odmakniti. Po zgledu iz običajnega življenja bi prvotno sedeči dregnil prišleka nazaj in se ne bi pustil odgnati; odnehati bi torej moral prišlek. To pa ne velja za beljakovino TALE, saj takšna strategija deluje le v eni smeri. Protein TALE na levi lahko izpodrine le tistega, ki je vezan na DNK na njegovi desni. »Zato je to zanimiv primer, ki kaže na možnost načrtovanja molekulskega izpodrivanja, ki smo ga odkrili v naših raziskavah in ugotovili, da ga je mogoče uporabiti še za druge namene,« pojasnjuje Jerala.
 

Uravnavanje izražanja genov

Poleg pojasnitve mehanizma polariziranega izpodrivanja so raziskovalci pokazali, da je ta lastnost proteinov TALE lahko zelo koristna za uravnavanje izražanja genov. Ali kot še pravi Tina Lebar, to odpira možnosti za nadaljnje korake: »Dodatek tretjega proteina TALE na levi povzroči izpodrivanje desnega soseda, kar omogoči ponovno vezavo proteina TALE na skrajni desni. Podobno kot pri podiranju domin, le da pade samo vsaka druga domina. Pokazali smo, da to deluje celo s petimi sosednjimi proteini TALE, kar je bilo nepričakovano in zelo zanimivo. Ugotovili smo, da je ta mehanizem uporaben za kodiranje logičnih funkcij, s tem pa lahko uravnavamo odziv človeških celic na zunanje signale in obdelavo informacij v celicah.«
 

Hitro, učinkovito, natančno

Medtem ko so člani iste raziskovalne skupine izvedbo logičnih funkcij v človeških celicah pokazali že pred leti, pa je delovanje na temelju opisanega usmerjenega izpodrivanja učinkovitejše in hitrejše. Pomembna dodatna prednost je, da je takšna vrsta uravnavanja genov zelo natančna. V nasprotju z nekaterimi drugimi doslej uporabljenimi metodami z mehanizmom usmerjenega izpodrivanja je mogoče utišati samo izbrani gen, medtem ko sosednji ostanejo aktivni.

Kot kaže omenjena raziskava, je takšno polarizirano izpodrivanje edinstveno za proteine TALE, raziskovalci pa so ga uporabili tudi za izpodrivanje drugih proteinov DNK, med drugim za preprečevanje nastanka kompleksa crispr.

Tehnologija crispr je močno orodje v molekularni biologiji, uporabljajo jo v glavnem za cepitev tarčne DNK in, kot to imenujejo v stroki, izbitje genov v celicah. Težava te tehnologije, ki je še niso rešili, pa je cepitev DNK (tudi) na neželenih mestih. Mehanizem izpodrivanja s proteini TALE je mogoče uporabiti tudi za zaščito genoma pred neželeno cepitvijo s tehnologijo crispr, kar bi močno pripomoglo k bolj varnemu in zanesljivemu genskemu zdravljenju.



Kot še pojasnjuje raziskava, je razdruževanje molekulskih kompleksov prek vezave drugih molekul eden od pomembnih naravnih principov, ta raziskava pa je verjetno prvi primer, ko je bilo molekulsko izpodrivanje zasnovano in uporabljeno za povsem nov namen. Zato je odkritje pomembno tako za razumevanje mehanizma dinamike preureditve molekulskih kompleksov v naravi kot za povečanje natančnosti, varnosti in učinkovitosti celičnega zdravljenja oziroma uporabo v biotehnologiji. Raziskavo je podprla agencija za raziskovalno dejavnost.