Идея о том, что гены могут включаться и выключаться, была открыта несколько десятилетий назад, когда исследования показали, что кишечная палочка Бактерии, как и лямбда-бактериофаг, способны адаптироваться к изменениям состава их питательной среды. Генные переключатели — это участки генов, где регуляторные молекулы могут связываться, запуская процесс транскрипции, приводящий к экспрессии определенного гена. Кроме того, экспрессия любого гена зависит от скорости, с которой он транскрибируется в мРНК и транслируется в белки. Существуют различные регуляторные белки или факторы транскрипции, которые отвечают за влияние на скорость транскрипции. Генные переключатели могут представлять собой регуляторные белки или специфические последовательности ДНК, которые либо включают, либо выключают экспрессию гена.

Основные компоненты генного переключателя

Генные переключатели состоят из некодирующих последовательностей ДНК и факторов транскрипции. Эти белки распознают в ядре клетки специфические последовательности ДНК, известные как энхансеры, и определяют, будет ли ген включен или выключен. Кроме того, факторы транскрипции содержат два молекулярных домена: ДНК-связывающий домен и домен активации. ДНК-связывающий домен распознает и связывается со специфическими последовательностями ДНК, а домен активации рекрутирует транскрипционные комплексы для инициации транскрипции. Более того, некоторые факторы транскрипции содержат дополнительные домены, такие как лиганд-связывающий домен, для взаимодействия с химическими сигналами.

Механизм генного переключения

Во время процесса транскрипции область промотора, расположенная рядом с верхним концом каждого гена, связывается с фактором транскрипции, который представляет собой особый тип белка. Стоит отметить, что фактор транскрипции отвечает за привлечение РНК-полимеразы для связывания с геном и производства информационной РНК, которая затем транслируется в белок. Дополнительный уровень генетического контроля обеспечивается генными переключателями, расположенными выше промоторной области. Эти генетические переключатели помогают транскрипционным факторам связываться с промоторной областью. Каждый ген имеет несколько генных переключателей, которые можно активировать в любой момент времени, чтобы обеспечить экспрессию определенного гена. На рисунке ниже представлен обзор механизма действия генного переключателя.

Тип генной регуляции

В зависимости от типа транскрипционного фактора (активаторы / репрессоры ), регуляция генов подразделяется на положительную и отрицательную регуляцию генов. Два типа регуляции генов обсуждаются ниже:

• Положительная регуляция генов: Активатор — это белковая молекула, которая помогает инициировать положительную регуляцию генов. Когда активатор связывается с опероном, он либо ускоряет, либо разрешает экспрессию гена.
• Регуляция негативного гена: Репрессор – это белковая молекула, инициирующая негативную регуляцию. Когда репрессор связывается с опероном, он либо замедляет, либо останавливает экспрессию гена.

Применение генного переключателя

Создание платформ генного переключения с различными свойствами иллюстрирует перспективность синтетической биологии в создании более продвинутых клеточных методов лечения. Создание платформ генного переключения с различными свойствами иллюстрирует перспективность синтетической биологии в создании более продвинутых клеточных методов лечения. Приложения платформ генного переключения можно разделить на следующие две категории:

• Эндогенная генная регуляция
• Регуляция экзогенных генов

1. Эндогенная генная регуляция

Способность регулировать эндогенные гены находит различные применения в биологических исследованиях и разработке генной терапии. Некоторые заболевания вызваны неоптимальной экспрессией генов или нескоординированным или несинхронизированным производством генного продукта. Восстановление контроля над локусом эндогенного гена может стать эффективным подходом к лечению таких заболеваний. Кроме того, регуляция экспрессии эндогенных генов может быть ценным инструментом для понимания фундаментальных биологических путей. Генные переключатели позволяют исследователям включать или выключать интересующий ген в нужный момент времени для изучения его эффектов.

• Регуляция экзогенных генов

Неконтролируемая сверхэкспрессия экзогенных генов часто приводит к снижению продуктивности при их введении в организм хозяина. Это справедливо для любых генетических продуктов или побочных продуктов метаболических путей, токсичных для хозяина. Перепроизводство таких продуктов приводит к дисбалансу и нарушениям различных обменных процессов организма. Следовательно, генные переключатели используются в качестве внешнего индуцируемого производственного механизма для контроля экспрессии генов. Основные применения генных переключателей описаны ниже:

• Управление токсичностью, связанной с терапией: Клеточная терапия с использованием сконструированных клеток, в том числе терапия на основе CAR-T и TCR, продемонстрировала многообещающие результаты в клинических испытаниях для лечения различных показаний. Однако, несмотря на ряд преимуществ, инженерная Т-клеточная терапия склонна к ряду побочных эффектов, что ограничивает широкое использование таких эффективных терапевтических методов. Следовательно, сконструированные ответы Т-клеток необходимо регулировать, чтобы предотвратить серьезные побочные эффекты. Безопасность вышеупомянутых клеточных методов лечения можно повысить за счет включения обратимого безопасного включения или выключения генного переключателя. В настоящее время проводится несколько исследований по оценке низкомолекулярных переключателей безопасности для различных клеточных вмешательств. Для разработки таких предохранительных выключателей исследуются различные малые молекулы, в том числе римидуцид, FITC, фолат, рапамицин, дазатиниб и химеры, нацеленные на протеолиз (PROTAC).

• Регуляция экспрессии генов: Еще одним важным применением генных переключателей является контроль экспрессии трансгена в различных методах генной терапии без необходимости использования дополнительных белковых компонентов. Например, исследования показали, что генные переключатели, включенные в генную терапию, разрабатываемую для лечения анемии, могут регулировать выработку гормона эритропоэтина.

• Пролиферация клеток: Генные переключатели используются для усиления пролиферации эффекторных клеток и продления продолжительности жизни активированных клеточных методов лечения, что приводит к устойчивому ответу пациентов на терапию. Генные переключатели, такие как технология GoCAR компании Bellicum Therapeutics, могут усиливать пролиферацию и функциональную устойчивость CAR-T-клеток, противодействуя истощению и стимулируя выработку иммуномодулирующих цитокинов, тем самым подавляя ингибирующие сигналы из микроокружения опухоли.

• Другие приложения: Многочисленные клеточные фенотипы недоступны под контролем одного генного локуса из-за его обширности и сложности. Одним из наиболее многообещающих достижений синтетической биологии является разработка биологических устройств, таких как генные переключатели, которые могут использовать регуляцию метаболических путей. Регуляторы транскрипции, которые реагируют на метаболиты и переключатели РНК, используются для изменения метаболических путей. Та же концепция может быть использована для открытия новых лекарственных препаратов и терапевтических средств для лечения различных расстройств.

Проблемы, связанные с переключением генов

Генные переключатели широко используются для повышения эффективности и уменьшения побочных эффектов, вызываемых различными видами генной терапии. Однако активация генного переключения жить требует введения небольших молекул, которые могут вызывать нежелательные побочные эффекты у пациентов. Таким образом, хотя переключение генов может вызвать запрограммированную гибель клеток в культуре клеток для смягчения побочных эффектов, вызванных инженерной клеточной терапией, его можно считать недостаточным/опасным для клинической практики. Кроме того, генетически модифицированные клеточные методы лечения могут трансформироваться в неконтролируемые мутантные клетки, когда переключатель деактивируется. Более того, когда генетически модифицированные клетки умирают, они могут высвободить значительное количество генетически измененной ДНК, которая может либо интегрироваться в клетки-хозяева, либо вызвать вредные иммунные реакции против ДНК в организме хозяина.[9] В результате внимание исследователей сместилось в сторону разработки регуляторных переключателей, проявляющих высокую эффективность и не вызывающих каких-либо побочных эффектов.

Заключительные замечания

Регуляторы транскрипции или генные переключатели, контролируемые небольшими молекулами, оказались эффективным инструментом во многих областях синтетической биологии. В биологии развития сигнальные пути могут быть изменены путем временного подавления генов внутри этих путей. Кроме того, развитие синтетической биологии увеличило спрос на ортогональные генные переключатели, которые помогают в разработке сложных генных цепей, чтобы повысить эффективность генной терапии и уменьшить связанные с ней побочные эффекты. Кроме того, растет интерес к изучению потенциала генных переключений для регулирования сложных фенотипов клеток млекопитающих, включая ремоделирование сложной взаимосвязанной генетической сети. Растущий интерес к регуляции генов с помощью генетических переключателей поддерживается их потенциалом для создания сложных, но высокоэффективных клеточных методов лечения за счет снижения их побочных эффектов. Учитывая растущий спрос на клеточную и генную терапию и растущую обеспокоенность, связанную с их безопасностью, заинтересованные стороны в этой отрасли разрабатывают ряд систем безопасного переключения/генного переключения с целью получить контроль над введенными клеточными продуктами.

Вы также можете скачать ПРИМЕ ОТЧЕТА по этой теме от Roots Analysis, нажав на ссылку здесь.