Elektromagnetno polje kao daljinski prekidač za ekspresiju gena
Istraživači su u časopisu Cell predstavili Ei prekidač, sistem za daljinsko upravljanje ekspresijom transgena pomoću veoma niskofrekventnog elektromagnetnog polja. Jezgro platforme je DNK element Ei dug 450 parova baza, izveden iz promotora gena Lgr4; njegova pojačana varijanta sEi aktivirala je transgen u roku od dva sata izlaganja polju.
Rad opisuje neinvazivnu i reverzibilnu regulaciju gena u živom organizmu bez farmakoloških induktora. U transgenim Ei-GFP miševima zabeležena je koordinisana ekspresija u mozgu, srcu, jetri, slezini, bubrezima i koži, a signal je nakon prekida izlaganja nestajao približno za tri dana.
Od elektromagnetnog signala do transkripcije
Autori su najpre sekvenciranjem RNK pojedinačnih ćelija u mozgovima miševa izloženih elektromagnetnom polju izdvojili Lgr4 kao gen sa najrobustnijim i ponovljivim porastom ekspresije kroz više tipova ćelija. Indukcija se javljala u prvih 24 sata, dok se nivo transkripta vraćao na osnovnu vrednost u naredna 24 sata po prestanku izlaganja.
Brisanjem delova promotora i testovima sa luciferaznim reporterom definisan je minimalni element od 450 bp. Dodavanje CMV pojačivača ispred Ei sekvence dalo je sEi varijantu, koja je skratila vreme do snažne indukcije na dva sata. Bez stimulacije, Ei je pokazao zanemarljivu pozadinsku transkripciju u opisanim uslovima.
CRISPR-Cas9 skrining sa bibliotekom usmerenom na 20.611 gena identifikovao je membranski prenosilac elektrona Cyb5b kao neophodan posrednik. Isključivanje gena Cyb5b potpuno je uklonilo aktivaciju reportera zavisnu od elektromagnetnog polja, a ponovno uvođenje gena vratilo je odgovor.
Kalijumski signal nije u centru mehanizma
Predložena signalna osa glasi Cyb5b → Cacna1f → oscilacije Ca²⁺ → Sp7 → Ei. Elektromagnetno polje izazvalo je ritmičke i održive citoplazmatske oscilacije kalcijuma, zavisne od Cyb5b i L-tipskog naponski upravljanog kalcijumskog kanala Cacna1f. Transkripcioni faktor Sp7 zatim se reverzibilno vezivao za Ei element, što je potvrđeno ChIP eksperimentima.
Za prostornu kontrolu korišćena je jednokružna zavojnica prečnika 25 mm. Njome je indukcija dominantno ograničavana na ciljane anatomske regije, poput mozga, grudnog koša, abdomena ili karlice, uz smanjenu aktivaciju susednih tkiva. Cre-zavisni Ei-DIO reporteri dodatno su demonstrirali ograničavanje ekspresije na određene tipove ćelija.
Primene u modelima bolesti i ključna ograničenja
Platforma je ispitana u tri konteksta kod miševa. Ciklična ekspresija Oct4-Sox2-Klf4, po režimu tri dana uključeno i četiri dana isključeno, produžila je medijanu i maksimum životnog veka kod progeroidnih i starih miševa. U drugom modelu, uslovna indukcija mutiranog APP gena reprodukovala je promene povezane sa amiloidnom patologijom u starijim životinjama.
U modelu depresije, sEi-Tph2 je unet u dorzalno raphe jedro, a 12-časovni ciklusi izlaganja usklađeni sa cirkadijalnim ritmom obnovili su ispitivane pokazatelje serotoninskog sistema i ponašajne fenotipove. Kontinuirano 24-časovno izlaganje nije dalo uporedivo poboljšanje, što u ovom eksperimentu ukazuje na značaj vremenskog obrasca indukcije.
Klinička primena ostaje udaljena. Nije potpuno razjašnjeno kako polje menja redoks stanje Cyb5b niti kako se taj signal prenosi na Cacna1f. Terapijske provere obavljene su na malim glodarima, dok prostorna preciznost kod većih životinja i ljudi nije procenjena. Lentivirusna isporuka takođe otvara pitanje insercione mutageneze pri dugotrajnoj primeni.
Za poslovanje u biotehnologiji ovo je signal za pažljivo praćenje nove klase fizički upravljanih genskih sistema: rezultati pokazuju zanimljiv mehanizam i kontrolu vremena i mesta ekspresije, ali odluke o razvoju moraju sačekati potvrdu isporuke, doziranja, dugoročne bezbednosti i skalabilnosti izvan modela miša.