Forscher haben eine neuartige Methode entwickelt, um die Genexpression mit bisher unerreichter Präzision durch Licht zu steuern. Dieser Fortschritt, veröffentlicht in Nature Chemistry, stellt einen reversiblen Photoschalter vor, der auf DNA-G-Quadruplex [gee-quad-ru-plex] abzielt. Diese molekulare Innovation könnte zu dynamischen, nicht-invasiven Genregulationstechnologien führen.
Die Forschung konzentriert sich auf G-Quadruplex (G4)-DNA-Strukturen, einzigartige viersträngige Konfigurationen, die in guaninreichen Sequenzen innerhalb des Genoms vorkommen. G4s sind an wichtigen zellulären Prozessen wie Transkription und Replikation beteiligt. Wissenschaftler entwickelten ein photoschaltbares Molekül, das selektiv an diese G4-Strukturen bindet.
Dieser Photoschalter moduliert die Konformation von G4s als Reaktion auf spezifische Wellenlängen des Lichts. Dies ermöglicht eine räumliche und zeitliche Kontrolle über die Genexpression. Forscher können die Genaktivität in lebenden Zellen effektiv 'ein- oder ausschalten', indem sie Licht der entsprechenden Farbe darauf scheinen lassen.
Der Photoschalter basiert auf Azobenzol [azo-ben-zene]-Derivaten, Molekülen, die für ihre lichtinduzierte reversible Isomerisierung bekannt sind. Das Team optimierte das chemische Gerüst, um die Bindungsaffinität und Spezifität für G4-DNA sicherzustellen. Lichtwellenlängen im sichtbaren Bereich bewirken strukturelle Veränderungen, ohne signifikante Photoschäden an den Zellen zu verursachen.
Die experimentelle Validierung zeigte, dass die Bestrahlung mit einer Lichtwellenlänge die G4-Struktur stabilisiert, die Bindung von Transkriptionsfaktoren behindert und die Expression des Zielgens herunterreguliert. Umgekehrt induziert die Exposition gegenüber einer alternativen Wellenlänge die Photoschalter-Isomerisierung, wodurch die G4-Konformation entspannt und die Gentranskription wiederhergestellt wird. Diese Dual-Wellenlängen-Steuerung ermöglicht eine präzise Genregulation.
Die Fähigkeit, spezifische Gene aus der Ferne und reversibel zu modulieren, ist vielversprechend für die Entwicklung von Gentherapien der nächsten Generation. Krankheitsassoziierte Gene könnten bei Bedarf gezielt ausgeschaltet und bei sich ändernden Patientenzuständen wieder aktiviert werden. Dies könnte durch extern angelegte Lichtimpulse erreicht werden.
Das Team entwickelte Photoschalter, die auf rotes und nahinfrarotes Licht reagieren, Wellenlängen, die tiefer in das Gewebe eindringen. Umfangreiche Toxizitätsuntersuchungen bestätigten, dass die Photoschalterverbindungen und ihre Lichtaktivierungszyklen keine Zytotoxizität oder genomische Instabilität induzieren. Dies stellt sicher, dass das System sicher in experimentellen und klinischen Umgebungen eingesetzt werden kann.
Die modulare Designstrategie erleichtert die weitere Funktionalisierung und Abstimmung des Photoschalters. Zukünftige Iterationen könnten Targeting-Liganden oder fluoreszierende Reporter beinhalten. Die Autoren sehen vor, dass diese Technologie in bestehende optogenetische und nanotechnologische Ansätze zur verbesserten genetischen Modulation integriert wird.