Selbstorganisierende Proteine ​​können zelluläre „Erinnerungen“ speichern

Während Zellen ihre alltäglichen Funktionen erfüllen, schalten sie eine Vielzahl von Genen und zellulären Signalwegen ein. MIT-Ingenieure haben nun Zellen dazu gebracht, die Geschichte dieser Ereignisse in eine lange Proteinkette einzuschreiben, die mit einem Lichtmikroskop abgebildet werden kann.

Zellen, die darauf programmiert sind, diese Ketten zu produzieren, fügen kontinuierlich Bausteine ​​hinzu, die bestimmte zelluläre Ereignisse kodieren. Später können die geordneten Proteinketten mit fluoreszierenden Molekülen markiert und unter einem Mikroskop abgelesen werden, wodurch Forscher den zeitlichen Ablauf der Ereignisse rekonstruieren können.

Diese Technik könnte dabei helfen, die Schritte aufzuklären, die Prozessen wie der Gedächtnisbildung, der Reaktion auf eine medikamentöse Behandlung und der Genexpression zugrunde liegen.

„Es gibt viele Veränderungen, die auf Organ- oder Körperebene über Stunden bis Wochen stattfinden, die im Laufe der Zeit nicht verfolgt werden können“, sagt Edward Boyden, Y. Eva Tan-Professor für Neurotechnologie, Professor für Biotechnik und Gehirn und Kognition Naturwissenschaften am MIT, Forscher am Howard Hughes Medical Institute und Mitglied des McGovern Institute for Brain Research und des Koch Institute for Integrative Cancer Research des MIT.

Wenn die Technik auf längere Zeiträume ausgeweitet werden könnte, könnte sie auch zur Untersuchung von Prozessen wie Alterung und Krankheitsverlauf eingesetzt werden, sagen die Forscher.

Boyden ist der leitende Autor der Studie, die heute in erscheint Naturbiotechnologie. Changyang Linghu, ein ehemaliger J. Douglas Tan Postdoctoral Fellow am McGovern Institute, der jetzt Assistenzprofessor an der University of Michigan ist, ist der Hauptautor der Veröffentlichung.

Zelluläre Geschichte

Biologische Systeme wie Organe enthalten viele verschiedene Arten von Zellen, die alle unterschiedliche Funktionen haben. Eine Möglichkeit, diese Funktionen zu untersuchen, besteht darin, Proteine, RNA oder andere Moleküle innerhalb der Zellen abzubilden, die Hinweise darauf geben, was die Zellen tun. Die meisten Methoden dafür bieten jedoch nur einen flüchtigen Blick auf einen einzelnen Zeitpunkt oder funktionieren bei sehr großen Zellpopulationen nicht gut.

„Biologische Systeme bestehen oft aus einer Vielzahl unterschiedlicher Zelltypen. Das menschliche Gehirn hat beispielsweise 86 Milliarden Zellen“, sagt Linghu. „Um solche biologischen Systeme zu verstehen, müssen wir in diesen großen Zellpopulationen physiologische Ereignisse im Laufe der Zeit beobachten.“

Um dies zu erreichen, hatte das Forscherteam die Idee, zelluläre Ereignisse als eine Reihe von Proteinuntereinheiten aufzuzeichnen, die kontinuierlich zu einer Kette hinzugefügt werden. Um ihre Ketten herzustellen, verwendeten die Forscher künstlich hergestellte Proteinuntereinheiten, die normalerweise nicht in lebenden Zellen vorkommen und sich selbst zu langen Filamenten zusammenfügen können.

Die Forscher entwarfen ein genetisch codiertes System, in dem eine dieser Untereinheiten kontinuierlich in Zellen produziert wird, während die andere nur dann erzeugt wird, wenn ein bestimmtes Ereignis eintritt. Jede Untereinheit enthält auch ein sehr kurzes Peptid, das als Epitop-Tag bezeichnet wird – in diesem Fall wählten die Forscher die Tags HA und V5. Jeder dieser Tags kann an einen anderen fluoreszierenden Antikörper binden, was es später einfach macht, die Tags sichtbar zu machen und die Sequenz der Proteinuntereinheiten zu bestimmen.

Für diese Studie machten die Forscher die Produktion der V5-enthaltenden Untereinheit von der Aktivierung eines Gens namens c-fos abhängig, das an der Kodierung neuer Erinnerungen beteiligt ist. Untereinheiten mit HA-Tag machen den größten Teil der Kette aus, aber wann immer das V5-Tag in der Kette auftaucht, bedeutet das, dass c-fos während dieser Zeit aktiviert wurde.

„Wir hoffen, diese Art der Protein-Selbstorganisation nutzen zu können, um die Aktivität in jeder einzelnen Zelle aufzuzeichnen“, sagt Linghu. „Es ist nicht nur eine Momentaufnahme, sondern zeichnet auch die Vergangenheit auf, genau wie Baumringe Informationen über die Zeit dauerhaft speichern können, während das Holz wächst.“

Aufzeichnung von Ereignissen

In dieser Studie verwendeten die Forscher ihr System zunächst, um die Aktivierung von c-fos in Neuronen aufzuzeichnen, die in einer Laborschale wuchsen. Das c-fos-Gen wurde durch chemisch induzierte Aktivierung der Neuronen aktiviert, wodurch die V5-Untereinheit zur Proteinkette hinzugefügt wurde.

Um zu untersuchen, ob dieser Ansatz im Gehirn von Tieren funktionieren könnte, programmierten die Forscher Gehirnzellen von Mäusen, um Proteinketten zu erzeugen, die zeigen würden, wann die Tiere einem bestimmten Medikament ausgesetzt wurden. Später konnten die Forscher diese Exposition nachweisen, indem sie das Gewebe konservierten und es mit einem Lichtmikroskop analysierten.

Die Forscher entwarfen ihr System modular, sodass verschiedene Epitop-Tags ausgetauscht oder verschiedene Arten von zellulären Ereignissen erkannt werden können, darunter im Prinzip die Zellteilung oder die Aktivierung von Enzymen namens Proteinkinasen, die zur Kontrolle vieler zellulärer Signalwege beitragen .

Die Forscher hoffen auch, die Aufzeichnungsdauer zu verlängern, die sie erreichen können. In dieser Studie zeichneten sie mehrere Tage lang Ereignisse auf, bevor sie das Gewebe bildlich darstellten. Es gibt einen Kompromiss zwischen der Zeit, die aufgezeichnet werden kann, und der Zeitauflösung oder Häufigkeit der Ereignisaufzeichnung, da die Länge der Proteinkette durch die Größe der Zelle begrenzt ist.

„Die Gesamtmenge an Informationen, die es speichern könnte, ist festgelegt, aber wir könnten das Wachstum der Kette im Prinzip verlangsamen oder beschleunigen“, sagt Linghu. „Wenn wir länger aufnehmen wollen, könnten wir die Synthese verlangsamen, sodass sie innerhalb von sagen wir zwei Wochen die Größe der Zelle erreicht. Auf diese Weise könnten wir länger aufnehmen, aber mit geringerer zeitlicher Auflösung.“

Die Forscher arbeiten auch daran, das System so zu konstruieren, dass es mehrere Arten von Ereignissen in derselben Kette aufzeichnen kann, indem die Anzahl der verschiedenen Untereinheiten erhöht wird, die eingebaut werden können.

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Website, die Neuigkeiten über MIT-Forschung, -Innovation und -Lehre enthält.