Исследователи разработали новый метод управления экспрессией генов с беспрецедентной точностью с помощью света. Это достижение, опубликованное в Nature Chemistry, представляет собой обратимый фотопереключатель, нацеленный на ДНК G-квадруплекса [gee-quad-ru-plex]. Эта молекулярная инновация может привести к созданию динамических, неинвазивных технологий регуляции генов.
Исследование сосредоточено на структурах ДНК G-квадруплекса (G4), уникальных четырехцепочечных конфигурациях, обнаруженных в богатых гуанином последовательностях в геноме. G4 участвуют в ключевых клеточных процессах, таких как транскрипция и репликация. Ученые разработали фотопереключаемую молекулу, которая селективно связывается с этими структурами G4.
Этот фотопереключатель модулирует конформацию G4 в ответ на определенные длины волн света. Это обеспечивает пространственный и временной контроль над экспрессией генов. Исследователи могут эффективно «включать» или «выключать» активность генов в живых клетках, освещая их светом соответствующего цвета.
Фотопереключатель основан на производных азобензола [azo-ben-zene], молекулах, известных своей светоиндуцированной обратимой изомеризацией. Команда оптимизировала химическую структуру, чтобы обеспечить аффинность связывания и специфичность к ДНК G4. Длины волн света в видимом диапазоне вызывают структурные преобразования, не вызывая значительного фотоповреждения клеток.
Экспериментальная проверка показала, что облучение одной длиной волны света стабилизирует структуру G4, препятствуя связыванию факторов транскрипции и снижая экспрессию целевого гена. И наоборот, воздействие альтернативной длины волны вызывает изомеризацию фотопереключателя, ослабляя конформацию G4 и восстанавливая транскрипцию гена. Этот двухволновый контроль обеспечивает точную регуляцию генов.
Возможность удаленно и обратимо модулировать определенные гены открывает перспективы для разработки генных терапий следующего поколения. Гены, связанные с заболеваниями, можно будет при необходимости нацеливать и подавлять, а также реактивировать по мере изменения состояния пациентов. Этого можно добиться с помощью внешне приложенных световых импульсов.
Команда разработала фотопереключатели, чувствительные к красному и ближнему инфракрасному свету, длинам волн, которые проникают глубже в ткани. Обширные анализы токсичности подтвердили, что фотопереключающие соединения и их циклы активации светом не вызывают цитотоксичности или геномной нестабильности. Это гарантирует, что система может безопасно использоваться в экспериментальных и клинических условиях.
Модульная стратегия проектирования облегчает дальнейшую функционализацию и настройку фотопереключателя. Будущие итерации могут включать нацеливающие лиганды или флуоресцентные репортеры. Авторы предполагают, что эта технология будет интегрирована с существующими оптогенетическими и нанотехнологическими подходами для улучшения генетической модуляции.