Schwächere Transkriptionsfaktoren sind besser, wenn sie zusammenarbeiten

Bioingenieure können die Genome von Zellen anpassen, um „Zelltherapien“ zur Bekämpfung von Krankheiten zu entwickeln. Es fällt ihnen jedoch schwer, spezielle aktivierende Proteine, sogenannte Transkriptionsfaktoren, zu entwickeln, die biotechnologisch hergestellte Gene ausschalten können, ohne gelegentlich einige der natürlich vorkommenden Gene der Zelle einzuschalten .

In einer online veröffentlichten Studie in ZelleBioingenieure der Rice University, der Boston University, der Harvard Medical School, des Dartmouth College und des Wyss Institute der Harvard University haben gezeigt, dass sie solche „Off-Target“-Genaktivierungen mit einer Methode, die sich an der Natur orientiert, nahezu eliminieren könnten.

„Wir haben unsere Transkriptionsfaktoren schwächer gemacht“, sagte Co-Autor Caleb Bashor, Assistenzprofessor für Bioingenieurwesen und Biowissenschaften an der Rice University, der die Studie mitgeleitet hat. „Da sie insgesamt schwächer binden, sinkt die Wahrscheinlichkeit, dass sie außerhalb des Ziels binden, auf fast Null.“

Im Allgemeinen neigen Bioingenieure dazu, stark bindende Transkriptionsfaktoren zu entwickeln, um sicherzustellen, dass Zielgene zum vorgesehenen Zeitpunkt aktiviert werden. Während die Abschwächung von Transkriptionsfaktoren kontraintuitiv erscheint, arbeitet Bashors Forschungsgruppe seit Jahren mit der Gruppe von Ahmad „Mo“ Khalil von BU zusammen, um Tools zu entwickeln und zu testen, die schwächere Transkriptionsfaktoren nutzen, indem sie sie in Teams arbeiten lassen.

„Transkriptionsfaktoren fungieren als ‚Verdrahtung‘ in Genschaltkreisen, indem sie die Expression verschiedener Gene im Schaltkreis miteinander verbinden“, sagte Bashor.

Genschaltkreise sind eine Reihe von Genen, die zusammenarbeiten, um eine bestimmte Funktion zu erfüllen. Beispielsweise implementierten Bashor und Kollegen in früheren Arbeiten Schaltkreise, die programmierbare boolesche Logik, Signalverarbeitung, Analog-Digital-Umwandlung und andere komplexe Aufgaben ausführten.

Jeder Transkriptionsfaktor aktiviert sein spezifisches Zielgen, indem er an eine bestimmte DNA-Sequenz bindet, die dieses Gen aktiviert. Bioingenieure können einen Transkriptionsfaktor verwenden, um beispielsweise ein bestimmtes Element eines Genschaltkreises einzuschalten, einen anderen, um dessen Ausgabe von niedrig auf hoch zu schalten, und einen weiteren, um ihn auszuschalten.

Um sicherzustellen, dass ihre geschwächten Transkriptionsfaktoren bei Bedarf ihre Zielgene aktivierten, nutzten Bashor, Khalil und Kollegen ein Phänomen namens kooperative Assemblierung. In ihren Zellen aktiviert ein Transkriptionsfaktor sein Ziel erst, indem er sich zunächst mit einem oder mehreren anderen Transkriptionsfaktoren zu einem großen Proteinkomplex zusammenschließt. Der zusammengesetzte Komplex, der sich wie eine Einheit verhält, aktiviert das Zielgen.

„Unser Design macht sie als Gruppe stark, aber allein schwach“, sagte Bashor. „Es stellt sicher, dass die einzigen Gene, die sie gemeinsam aktivieren können, diejenigen im Schaltkreis sind. Das Ergebnis sind Genschaltkreise, die normal funktionieren, aber auch ‚stabilisiert‘ werden und langfristig in der Zelle verbleiben.“

Bashor sagte, die Anwendung einer ähnlichen Strategie durch die Natur beim Menschen und in anderen komplexen Lebewesen sei eine Inspiration für das Projekt gewesen.

Um das Potenzial der Arbeit zu veranschaulichen, nutzte er das Beispiel zellbasierter Therapien. In vielen Fällen ist die Anzahl der manipulierten Zellen, die ein Patient erhält, weitaus geringer als die Anzahl, die für eine therapeutische Wirkung erforderlich ist. Das bedeutet, dass die Behandlung nur dann wirksam ist, wenn die manipulierten Zellen gedeihen, sich vermehren und zu einer Population heranwachsen, die groß genug ist, um die Krankheit zu bekämpfen.

„Jede Belastung durch Interaktionen außerhalb des Ziels verringert die Erfolgsaussichten“, sagte er. „Unser Ansatz bietet einen verallgemeinerbaren Satz von Regeln, mit denen Ingenieure Genschaltkreise von der Wirtszelle isolieren und Belastungen außerhalb des Ziels abmildern können.“