O amplificador de sinal de gene desenvolvido por biocientistas da Rice University se destaca na detecção da expressão de genes-alvo e também pode ser usado para detectar potencialmente qualquer gene celular. O amplificador está ligado ao cromossomo de uma célula e reporta diretamente sobre a atividade de um gene por meio da expressão de proteínas fluorescentes (GFP). Quando o gene não está ativo, o amplificador expressa reguladores negativos que extinguem GFP operando em diferentes níveis hierárquicos de fluxo de informação celular. EKRAB é um repressor transcricional e NanoDeg é um regulador pós-tradução. Quando o gene está ativo, tTA produz GFP e bloqueia a expressão dos reguladores negativos. Crédito:Segatori Research Group / Rice University
Um novo sistema para amplificar os sinais de expressão gênica pode ser um divisor de águas para os cientistas que estudam os processos regulatórios nas células que são essenciais para toda a vida.
O laboratório da bio-cientista Laura Segatori, da Rice University, desenvolveu um versátil amplificador de sinal de gene que pode fazer um trabalho melhor na detecção da expressão de genes-alvo do que os métodos atuais.
Em última análise, os pesquisadores esperam que o sistema de dois módulos simplifique o diagnóstico de doenças como Alzheimer, diabetes e alguns cânceres caracterizados por padrões distintos de expressão de proteínas. Eles disseram que também pode permitir terapias baseadas em células, por meio das quais as células doentes podem fazer seus próprios remédios quando necessário.
Seu trabalho é descrito em Nature Chemical Biology .
O primeiro módulo é parte de uma cadeia de código genético sintético adicionado ao DNA de uma célula de mamífero por meio da edição CRISPR-Cas9. Uma vez integrado adjacente a um gene alvo, o código ativa um circuito genético que monitora o gene e, sempre que o gene produz uma proteína, o circuito também emite uma proteína fluorescente verde (GFP). O circuito é projetado para amplificar o sinal GFP e permitir a detecção de mudanças muito pequenas no gene alvo que nem sempre são possíveis com as ferramentas atuais.
Quando o gene está inativo, o segundo módulo com base em um anticorpo encontrado primeiro em camelos para a produção da proteína fluorescente e degrada quaisquer GFPs na vizinhança. A combinação dá aos pesquisadores um forte sinal "liga-desliga" que também é sensível à dinâmica de expressão do gene alvo. Quando a expressão do gene aumenta, o circuito ativa a expressão de GFP e ao mesmo tempo inibe a expressão de reguladores negativos de GFP, como o nanocorpo.
"Ser capaz de monitorar a expressão gênica com alta sensibilidade é realmente importante para uma variedade de aplicações biomédicas, ", Disse Segatori." É importante ter um sistema de detecção que seja sensível até mesmo a pequenas mudanças na expressão do gene, que muitas vezes são biologicamente relevantes. Também é fundamental para um sistema de detecção que fornece boa resolução dinâmica para que possamos seguir a dinâmica da expressão gênica, que normalmente são um fator determinante do comportamento celular.
"Isso é o que nosso amplificador de sinal de gene essencialmente faz, "ela disse." Nós desenvolvemos um circuito genético que, em primeiro lugar, podemos nos ligar a qualquer gene no cromossomo, gerando assim uma ferramenta que recapitula o contexto cromossômico com toda a complexidade de regulação associada. Não temos nenhum tipo de repórter extracromossômico. Esta abordagem fornece uma maneira sensível de monitorar todos os mecanismos reguladores e epigenéticos que regulam a expressão gênica.
"Então, desenvolvemos um método para amplificar o sinal para que possamos monitorar mudanças realmente pequenas na expressão, "ela disse." É muito robusto e estável e tem alta resolução dinâmica. "
O sistema pode ser adaptado para monitorar potencialmente qualquer gene celular, Disse Segatori. "Podemos criar sistemas repórter multiplex para monitorar grupos de genes que são relevantes para o desenvolvimento de uma determinada doença ou que fornecem uma leitura abrangente para uma determinada via de sinalização ou fenótipo, " ela disse.
A equipe demonstrou o método em uma variedade de células e gerou um repórter multiplex para monitorar marcadores associados a três vias de sinalização que respondem ao estresse no retículo endoplasmático de uma célula de mamífero. Eles descobriram que o circuito aumentou o sinal fluorescente o suficiente para detectar até mesmo pequenas mudanças na expressão.
O segundo módulo, um circuito NanoDeg introduzido pelo laboratório Rice em 2017, é um controle pós-tradução que dá ao sistema sua ampla faixa dinâmica, Disse Segatori. "Sob condições basais, o circuito expressa não apenas um regulador transcricional que inibe a expressão de GFP, mas também moléculas NanoDeg que degradam qualquer GFP presente no sistema, então a célula fica completamente escura, "disse ela." E podemos ajustar o sistema para adaptá-lo à detecção de genes com diferentes expressões basais, usando doses apropriadas de indutores dos componentes do circuito. "
Experimentos confirmaram que a integração do sistema ao cromossomo da célula não afeta a expressão dos genes-alvo.
Como parte do estudo, o laboratório também desenvolveu um modelo matemático que os pesquisadores podem usar para personalizar a plataforma do amplificador para monitorar qualquer gene alvo e prever as doses ideais de indutores de pequenas moléculas usados para regular a expressão do gene.
Segatori e sua equipe estão trabalhando para aprimorar a plataforma, desenvolvido principalmente pelo estudante de graduação de Rice e autor principal Carlos Origel Marmolejo, para tratar doenças.
"Atualmente, há um grande interesse no desenvolvimento de terapias celulares que sejam responsivas ao feedback, "Segatori disse." Nossa plataforma pode permitir a produção de terapêuticas em resposta à detecção de assinaturas de expressão de genes relevantes para uma determinada doença ou condição ambiental. "
