ВЫПУСК 93

Нанофлюидика определяет эпигенетические изменения отдельной молекулы ДНК в режиме реального времени

Используя систему наноразмерных жидкостных каналов и многоцветную флуоресцентную микроскопию, группа ученых из Университета Корнелла (Cornell University) разработала метод анализа ДНК и связанных с ней хромосомных белков гистонов. Данные, полученные с помощью этого метода, предоставляют информацию о так называемом эпигенетическом состоянии клетки, которое отражает различия в экспрессии генов, наблюдаемые в клетке в любой момент времени.

Исследование возглавляли доктор философии Пол Солоуэй (Paul Soloway) и доктор философии Гарольд Крейгхед (Harold Craighead), одновременно являющийся также ведущим научным сотрудником Физико-онкологического центра Университета Корнелла (Cornell University Physical Sciences-Oncology Center), одного из восьми центров, недавно созданных для выявления и изучения физических и биологических закономерностей и принципов возникновения и развития рака. Все восемь новых центров финансируются Национальным институтом рака (National Cancer Institute).

Ученые опубликовали результаты своего исследования в журнале Analytical Chemistry.

Все клетки организма создаются по одному и тому же генетическому плану, но то, что отличает клетку печени от клетки сердца, представляет собой ряд модификаций ДНК, таких как метилирование, который и определяет специфический набор генов, экспрессирующийся в конкретном типе клеток. Такие модификации известны как эпигенетические, а не генетические изменения, так как они меняют не ДНК, а только ее структурные свойства. Такие структурные изменения определяют, какие гены являются доступными для белков, участвующих в превращении генетической информации в другие специфические белки.

Существует много методов, используемых учеными для исследований таких эпигенетических изменений, но все они требуют большого количества клеток и, таким образом, воспроизводят лишь среднестатистическую картину эпигенетического состояния.

Кроме того, такие методы не могут ни обследовать весь геном, ни изучать два различных типа эпигенетических изменений одновременно.

Чтобы снять эти ограничения, исследователи из Корнелла создали нанофлюидное устройство, в котором отдельные молекулы ДНК проплывают через канал и проходят через детектор, записывающий и анализирующий флуоресценцию ДНК и связанных с ней гистонов в режиме реального времени. Ученые также продемонстрировали, что они могут исследовать ДНК отдельно от связанных с ней белков, пометив ее флуоресцентными молекулами, связывающимися с метилированными основаниями, и обнаружить, таким образом, специфическую локализацию метилированных участков ДНК.

В этой серии экспериментов исследователи использовали нанофлюидную систему для выявления частоты и совпадения эпигенетических изменений в отдельной молекуле ДНК. Однако ученые считают, что они смогут модифицировать свое устройство для быстрой сортировки ДНК-белковых структур, основываясь на их эпигенетических свойствах. Отсортированные фрагменты хроматина могут в дальнейшем исследоваться более подробно всеми доступными методами изучения ДНК, включая ДНК-секвенирование.

Свою работу ученые детально описали в статье "Single Molecule Epigenetic Analysis in a Nanofluidic Channel".

По материалам National Cancer Institute

Оригинал статьи

Nanofluidics Identify Epigenetic Changes One Molecule at a Time

Наночастицы раскрывают идентичность раковых опухолей

Используя наночастицы, созданные для распознавания специфических рецепторов сахаров на поверхности клеток, ученые из Государственного университета Мичигана (Michigan State University) разработали процесс, в котором для расшифровки кода связывания сахаров с рецепторами, специфичного для различных типов раковых и нормальных клеток, применяется магнитно-резонансная визуализация (МРИ). Эта работа, руководимая доктором философии Сюфей Хуанем (Xuefei Huang), опубликована в Journal of the American Chemical Society.

Ученые начали свою работу с синтеза различных магнитных наночастиц, каждая из которых была покрыта различными видами сахаров. Все клетки млекопитающих имеют целый набор поверхностных рецепторов, связывающих сахара, известных как лектины, и каждый лектин обладает специфическим сродством к одному или двум сахарам.

С помощью многочисленных наночастиц, каждая из которых покрыта определенным видом сахара, группа доктора Хуаня смогла идентифицировать связывающие сахара «ключи», характерные для определенных типов клеток. Так как наночастицы обладают сильными магнитными свойствами, они хорошо различимы с помощью магнитно-резонансной визуализации (magnetic resonance imaging – MRI). Каждая наночастица генерирует при этом высоко дифференцированный MRI-сигнал.

Имея в своем распоряжении пять покрытых различными сахарами наночастиц, исследователи протестировали их способность различать 10 разных типов клеток. С помощью математического метода, известного как линейный дискриминантный анализ, ученые показали, что они легко могут идентифицировать все 10 типов клеток на основе анализа комбинированных MRI-сигналов, генерируемых каждой наночастицей. Этот метод позволил различить не только здоровые и малигнизированные клетки, но и клетки близких форм рака, которые неразличимы на основе качественного анализа их углеводного и белкового состава.

Работа подробно изложена в статье «Magnetic Glyco-Nanoparticles: A Tool to Detect, Differentiate, and Unlock the Glyco-Codes of Cancer via Magnetic Resonance Imaging».

Оригинал статьи

Nanoparticles Unlock Tumor Identity

Наночастицы золота следят за развитием заболеваний на молекулярном уровне

Как утверждают ученые, мельчайшие химические сенсоры, имплантированные в организм пациента, могут помочь диагностировать болезнь и следить за ее развитием.

Исследователи разработали крошечные датчики, включающие в себя покрытые золотом частицы. Такие датчики можно вводить в клетки и дистанционно, с помощью света лазера, определять болезни и контролировать их развитие.

Когда датчик находится внутри клетки, освещающий его свет лазера сначала поглощается, а затем снова начинает излучаться, заставляя близлежащие клеточные белки колебаться с частотой, зависящей от их формы.

По мере развития заболевания форма белков претерпевает изменения, что приводит к возникновению различных колебательных частот. Ученые могут измерить и интерпретировать такие колебания, чтобы понять, как клетка отвечает на заболевание.

Для покрытия сенсора применяется золото, так как это инертный с химической точки зрения металл, предотвращающий отторжение импланта организмом. Технология высокочувствительна, быстра и использует маломощный лазер.

Ученые считают, что такие датчики могут стать полезным инструментом для улучшения понимания болезней на очень глубоком уровне с помощью наблюдения за взаимодействием молекул. Дальнейшие исследования будут сосредоточены, в первую очередь, на болезнях, связанных с иммунной системой, но исследователи уверены, что их технология сможет помочь врачам диагностировать и контролировать самый широкий круг заболеваний.

Доктор Колин Кэмпбзлл (Colin Campbell), руководитель исследования, говорит: «Создав комбинацию из датчика, который можно безопасно имплантировать в ткань, и чувствительного светоизмерительного метода, мы разработали полезный прибор, способный помочь диагностировать болезнь и отслеживать ее развитие».

Работа опубликована в журналах Chemical Communications, Journal of Biophotonics и ACSNano.

Оригинал статьи

Tiny gold probes to help track disease

В лабораториях ученых

Гены под контролем: ученые создали «переключатель» генов хлоропластов

В клетках растений ядро и митохондрии не единственные места, где читаются гены и синтезируются белки. Органеллы фотосинтеза – хлоропласты – имеют свою собственную ДНК, матричные РНК и рибосомы для синтеза белков. Ученые из института Макса Планка научились регулировать образование белков в хлоропластах. Для включения и выключения генов в хлоропластах растений табака они использовали так называемые «рибопереключатели». Такие рибопереключатели могут сделать растения способными вырабатывать лекарственные препараты или сырье для них. Более того, они могут иметь большое значение для повышения биологической безопасности, связанной с генетически модифицированными растениями.

Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Чтобы ген мог создать белок, ДНК сначала нужно преобразовать в так называемую матричную РНК. Молекулы матричной РНК являются инструкциями для рибосом – клеточных фабрик белка, в которых он собственно и синтезируется. Несколько лет назад в некоторых матричных РНК бактериальных клеток ученые открыли участки, способные к связыванию с продуктами метаболизма. Такое взаимодействие приводит к изменению пространственной структуры молекул РНК и делает возможным включение или выключение синтеза белка. У бактерий такие участки – рибопереключатели – обеспечивают быстрый и эффективный способ регуляции синтеза белка. Неудивительно, что раньше было невозможно доказать присутствие подобных рибопереключателей в хлоропластах клеток растений.

Чтобы регулировать образование некоторых белков хлоропласта, ученые из Гольма (Golm) около Потсдама (Potsdam) модифицировали и «вставили» рибопереключатели в его генетический материал. В качестве переключателя было использовано найденное в чае вещество теофиллин, обладающее способностью связываться с рибопереключателем в матричных РНК и позволяющее тем самым рибосомам хлоропластов считывать с них информацию. «После опрыскивания растений табака теофиллином мы обнаружили, что хлоропласты образуют соответствующий белок. В отсутствии теофиллина белок не синтезировался. Таким образом, теофиллиновый рибопереключатель позволял нам по желанию включать или выключать ген, и мы наблюдали, к каким это приводило последствиям», - объясняет Ральф Бок (Ralph Bock) из Института молекулярной физиологии растений Макса Планка (Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology). Достичь этого было достаточно трудно, учитывая, что геном хлоропластов содержит много генов, необходимых для выживания растения. Длительное отключение одного из таких генов приводит к смерти клетки и делает ее бесполезной для дальнейшего исследования.

Однако детальное изучение того, как функционируют хлоропласты, это не единственное, что может быть сделано с помощью теофиллинового переключателя. Рибопереключатели могут также играть важную роль в биотехнологиях будущего, учитывая то, что хлоропласты хорошо подходят для производства потенциальных лекарств, так как в каждой клетке табака их количество достигает 100. Таким образом, геном хлоропласта представлен в ней многими копиями. В результате хлоропласт способен синтезировать больше белка, чем ДНК ядра клетки. К примеру, ученые из Потсдама уже модифицировали гены растений табака таким образом, что их листья начали производить большое количество антибиотиков.

Хлоропласты редко распространяются через пыльцу

В гораздо больших количествах белки могут быть получены в генетически модифицированных растениях. Во многих случаях, однако, такие чужеродные белки вредят клеточному метаболизму или фотосинтезу, если клетки синтезируют их постоянно. Следовательно, рост таких растений подавляется или они растут крайне медленно. Рибопереключатели могут это предотвратить. Их можно использовать для включения соответствующих генов, когда растение уже полностью сформировано и собирается дать урожай. Чужеродные гены в хлоропластах имеют и другое важное преимущество: почти без исключения все они наследуются через женские яйцеклетки. Поэтому они крайне редко распространяются через пыльцу растений табака.

Оригинал статьи

Gene unter Kontrolle. Max-Planck-Forscher entwickeln Gen-Schalter für Chloroplasten in Pflanzenzellen

Фильмы о геноме: идентифицированы гены, вовлеченные в процесс деления клетки

Назовите ген человека, и вы увидите он-лайн фильм, демонстрирующий, что происходит с клетками, если этот ген выключен. Этот ресурс исследователи из Европейской молекулярно-биологической лаборатории (EMBL) в Гейдельберге, Германия, и их коллеги из консорциума Mitocheck сделали доступным для всех. Проект является результатом исследования, в котором ученые идентифицировали гены, вовлеченные в митоз – наиболее распространенную форму деления клетки – у человека. Опубликованная 31.03.2010 в Nature, их работа кладет начало раскрытию молекулярных механизмов одного из самых фундаментальных биологических процессов: как из одной клетки получается две.

«Без митоза в жизни вообще ничего бы не происходило», - говорит Ян Элленберг (Jan Ellenberg), руководитель исследования со стороны EMBL. «И если митоз идет неправильно, мы получаем дефекты, подобные раку».

Элленберг и его коллеги обнаружили, что из 22000 генов каждой клетки человеческого организма почти 600 вовлечены в процесс митоза. Чтобы выяснить, какие именно гены задействованы в митозе, ученые разработали новый метод, применив технологию визуализации живых клеток с высокой пропускной способностью. Они инактивировали каждый из 22000 генов один за другим в различных видах клеток и снимали эти клетки под микроскопом в течение 48 часов. Таким образом были получены около 200000 замедленных съемок митоза. Обработать такое количество информации силами одного человека или даже группы людей было бы почти невозможно. Поэтому ученые создали новую компьютерную программу, анализирующую кадры и автоматически определяющую, какие характерные дефекты проявляются в клетках и какова их последовательность. Группируя гены с аналогичными дефектами – например, гены, которые в случае инактивации приводят к образованию в результате митоза клетки с двумя ядрами вместо одного - они смогли идентифицировать гены, вовлеченные в процесс митоза, что затем было подтверждено другими экспериментальными методами.

«Конечный результат состоит в том, что у научного сообщества теперь есть богатый ресурс, так как мы разрешили свободный доступ в сети ко всем фильмам и всем аналитическим данным», - подчеркивает Элленберг. «Ученые могут зайти на сайт, набрать название своего любимого гена и посмотреть, что происходит при его инактивации. Они могут узнать, какие еще гены имеют подобные эффекты - и все это в несколько щелчков мыши вместо месяцев и даже лет работы в лаборатории!».

Но проблема митоза еще не разрешена, говорят ученые. Им еще нужно точно узнать, как эти гены действуют на молекулярном уровне – задача, которая будет решаться в ходе последующих проектов под названием Mitosys. Ко всем данным, полученным в ходе предстоящей работы, также будут разрешен свободный доступ в сети. Таким образом, будет создано то, что Элленберг назвал «принципом одного окна» для исследователей митоза.

Между тем новая методология, разработанная учеными из EMBL, с помощью которой быстро и на систематической основе можно заставить замолчать все гены организма, уже сама по себе представляет огромную пользу для научного сообщества.

«Спустя год после того, как мы создали эти новые siРНК микрочипы, они уже используются более чем десятком исследовательских групп из разных стран Европы», - говорит Райнер Пепперкок (Rainer Pepperkok), руководивший разработкой этого метода в EMBL.

В ведущейся сейчас работе ученые изучают клетки HeLa, широко известную линию раковых клеток. Теперь, когда они сузили поиск с 22000 до более приемлемых 600 генов, становится возможным изучение того, как одни и те же гены функционируют в других раковых и здоровых клетках. Такое сравнение поможет идентифицировать маркеры, которые можно будет использовать для диагностики заболевания или для принятия более обоснованных решений по его лечению.

Исследование было проведено в рамках консорциума Mitocheck и координировалось Яном-Михаэлем Петерсом (Jan-Michael Peters) из Научно-исследовательского института молекулярной патологии (Research Institute of Molecular Pathology) в Вене, Австрия. Его результаты доступны на www.mitocheck.org. Консорциум Mitocheck также исследовал белки, кодируемые этими генами, определяя задействованные в разделении парных хромосом во время митоза. Статья с этими данными опубликована в он-лайн издании Nature.

Оригинал статьи

Movies for the human genome. EMBL scientists identify the genes involved in cell division in humans

Полная или частичная перепечатка любого материала разрешается и приветствуется при обязательной гиперссылке на рассылку «Нанотехнологии в медицине и биологии»