Відновлення функції клітин за допомогою світла
Оптогенетика — це техніка, яка розроблялася протягом кількох років. Спрямована на поєднання оптики та генетики з використанням світла для контролю функціонування клітин. Тепер дослідники використовують оптогенетику для покращення функції пошкоджених мітохондрій. Мітохондрії широко відомі як електростанція клітини. Вони несуть власний крихітний геном і є ключовими генераторами енергії. Окрім цього, виконують інші важливі функції. У здорових клітинах сотні мітохондрій об’єднуються в процесі, відомому як злиття, а потім розпадаються на більш дрібні частини, щоб підтримувати баланс у клітинах — це називають поділом. Коли мітохондрії не функціонують, синтез і поділ, які контролюються експресією генів, можуть стати дисбалансом, пояснив Jiajie Diao, доктор філософії медичного коледжу Університету Цинциннаті. Цей мітохондріальний дисбаланс був пов’язаний з різними захворюваннями, включаючи деякі типи раку та нейродегенеративні захворювання.
Дослідники виявили, що маленькі мішечки в клітині, які називаються лізосомами, можуть відігравати роль у поділі мітохондрій. Коли мітохондрія торкається лізосоми, лізосома може розкласти мітохондрію на маленькі шматочки. У новому дослідженні, опублікованому в Nature Communications, дослідники використовували оптогенетику, щоб об’єднати мітохондрії та лізосоми в пошкоджених клітинах і запустити поділ, який відновлює функцію клітини.
«Багато білків у рослинах чутливі до світла. Так вони інформують рослини про те, день зараз чи ніч. Оптогенетика запозичує ці світлочутливі білки з рослин і використовує їх у клітинах тварин», — пояснив співавтор дослідження Kai Zhang, доктор філософії, доцент Університету Illinois Urbana-Champaign. «Прикріплюючи такі білки до органел, можна використовувати світло для контролю взаємодії між ними, наприклад мітохондріями та лізосомами, показаними в цій роботі».
У цьому дослідженні дослідники використовували генетичні інструменти для позначення мітохондрій і лізосом, кожна з яких містить інший білок, який активується синім світлом. Лізосоми позначали криптохромом з Arabidopsis thaliana (CRY2), а мітохондрії позначали криптохромом, що взаємодіє з основною спіраллю-петлею-спіраль (CIB). CRY2 і CIB зливаються один з одним, коли на них світить синє світло. Коли білки об’єднуються, це також об’єднує приєднані мітохондрії та лізосоми, викликаючи поділ.
«Ми виявили, що це може відновити функцію мітохондрій», — сказав Jiajie Diao, який також є співавтором дослідження. «Деякі клітини можуть навіть повернутися до нормального стану. Це доводить, що за допомогою простої світлової стимуляції ми можемо принаймні частково відновити мітохондріальну функцію клітини».
Jiajie Diao зазначив, що деякі пацієнти мають масивні мітохондрії (спостерігаються, наприклад, при захворюваннях печінки), які необхідно розділити на менші частини, щоб їхні клітини знову функціонували нормально. Ця техніка може бути для них корисною. Також це може бути корисним при лікуванні раку: якщо мітохондрії в ракових клітинах розщеплюються, вони втрачають джерело енергії та гинуть. «Без нормальних функціональних мітохондрій усі ракові клітини будуть вбиті».
Оскільки світло стимулює лише певні білки, Jiajie Diao зазначив, що завдяки цьому можна застосувати набагато більш цілеспрямований підхід. Світло також впливає лише на клітини, які піддаються впливу, тому здорові клітини можуть бути збережені. Хоча існують інші способи ініціювати поділ мітохондрій, Jiajie Diao припустив, що оптогенетика є безпечнішою, оскільки не задіяні хімікати чи токсичні речовини.
«Насправді ми маємо природний процес, ми просто робимо його швидшим», — сказав Diao. «Тож це не схоже на хімікати, терапію чи променеву терапію, де потрібно зменшити побічні ефекти».
Дослідники також працюють над розробкою нових інструментів з іншими кольорами світла. Ймовірно, для роботи з людськими тканинами знадобляться хвилі більшої довжини, тому це застосування ще в майбутньому.
«Ми хотіли б ще більше розширити набір інструментів, запровадивши багатоколірні оптогенетичні системи, щоб дати нам кілька способів контролювати поведінку та взаємодію органел», — сказав Zhang. «Наприклад, один колір змушує органели об’єднуватися, а інший – роз’єднує їх. Таким чином ми можемо точно контролювати їхню взаємодію».
Джерела: University of Cincinnati, Nature Communications
