秀麗隱桿線蟲的遺傳開關(guān)

康斯坦茨大學(xué)的兩位研究人員首次利用基于RNA的誘導(dǎo)系統(tǒng)在秀麗隱桿線蟲體內(nèi)進(jìn)行基因開關(guān)，因此基因開關(guān)的研究和使用縮小了相當(dāng)大的差距。這種新方法是由德國(guó)研究基金會(huì)(DFG)資助的康斯坦茨大學(xué)969合作研究中心的馬丁格默丁格博士(生物系)和約爾格哈迪格教授(化學(xué)系)聯(lián)合研究項(xiàng)目“細(xì)胞蛋白質(zhì)抑制的化學(xué)和生物學(xué)原理”的一部分。通過(guò)分享他們?cè)谛沱愲[桿線蟲領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)，研究人員首次利用基于RNA的遺傳開關(guān)在動(dòng)物模型中成功誘導(dǎo)基因，并開發(fā)了基于RNA的遺傳開關(guān)。它們可以進(jìn)一步為亨廷頓氏病建立新的誘發(fā)疾病模型，為研究和應(yīng)用開辟新的機(jī)會(huì)。

他們的論文《四環(huán)素依賴的核酶轉(zhuǎn)化允許在秀麗隱桿線蟲中有條件地誘導(dǎo)基因表達(dá)》于2017年1月30日發(fā)表在在線期刊《自然通訊》上。

秀麗隱桿線蟲廣泛應(yīng)用于細(xì)胞和發(fā)育生物學(xué)研究，并被用作研究人類疾病的模型系統(tǒng)。這種研究動(dòng)物模型特別受歡迎，因?yàn)樗慕馄式Y(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，因?yàn)樗耐该鞫仍试S活細(xì)胞顯微鏡檢查，并且因?yàn)樗脑S多基因在人類中進(jìn)化上是保守的。CRC 969“Chemistry and Chemistry”研究合作的創(chuàng)始人、項(xiàng)目負(fù)責(zé)人馬丁加默丁格博士解釋說(shuō)：“然而，我發(fā)現(xiàn)非常令人沮喪的是，我們沒有一個(gè)針對(duì)這種動(dòng)物模型的誘導(dǎo)系統(tǒng)，可以讓我們隨意切換基因?？邓固勾拇髮W(xué)“細(xì)胞蛋白抑制的生物學(xué)原理”。由于rgHartig教授領(lǐng)導(dǎo)的核酸化學(xué)和合成生物學(xué)團(tuán)隊(duì)的密切合作，線蟲動(dòng)物模型。

Hartig教授的團(tuán)隊(duì)，包括這篇論文的第一作者Lena Wurmthaler博士，研究了核酸的異常結(jié)構(gòu)和特征，特別是催化活性核酶和所謂的核糖開關(guān)，它們可以用來(lái)打開或關(guān)閉單個(gè)基因。生物細(xì)胞中RNA(核糖核酸)的主要用途是將遺傳信息轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)；作為mRNA，它起著信息載體的作用。在mRNA分子中引入自切割核酶會(huì)導(dǎo)致mRNA的衰減，最終導(dǎo)致基因失活。然而，核酶活性——以及基因表達(dá)——可以由配體依賴型核酶控制。研究者的誘導(dǎo)系統(tǒng)是基于配體四環(huán)素，屬于抗生素類。四環(huán)素通過(guò)所謂的RNA適體與RNA分子結(jié)合，抑制核酶活性。這反過(guò)來(lái)穩(wěn)定了基因，然后將其轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)。因此，可以打開所需的基因。“新基因開關(guān)的神奇之處在于，它可以用于線蟲的所有發(fā)育階段，也就是說(shuō)，直到現(xiàn)在都不可能跨越所有幼蟲階段和成年動(dòng)物，”Lena Wurmthaler博士解釋道。這種新方法的主要優(yōu)點(diǎn)之一是不需要額外的調(diào)節(jié)蛋白來(lái)調(diào)節(jié)基因表達(dá)：打開這個(gè)基因所需要的只是將核酶與適體(適體或配體依賴的核酶)一起插入mRNA中，并喂入四環(huán)素。秀麗隱桿線蟲的Lena Wurmthaler:“我們只需要很少的編碼空間，不需要額外的表達(dá)蛋白因子。只需一步，我們就可以將任何感興趣的基因轉(zhuǎn)化為四環(huán)素誘導(dǎo)的基因?！?

在博士研究人員Monika Sack和Karina Gense的支持下，Martin Gamerdinger和Lena Wurmthaler通過(guò)轉(zhuǎn)化紅色熒光蛋白mCherry在各種細(xì)胞類型的秀麗隱桿線蟲中的表達(dá)來(lái)驗(yàn)證他們的新系統(tǒng)?！皳碛腥绱撕?jiǎn)單高效的誘導(dǎo)系統(tǒng)是整個(gè)秀麗隱桿線蟲領(lǐng)域向前邁出的重要一步，”Gamerdinger總結(jié)道。兩位研究人員希望他們的新系統(tǒng)可以在各種環(huán)境下工作，尤其是在醫(yī)學(xué)研究中。通過(guò)成功激活編碼亨廷頓蛋白(Ht)的突變基因，并在人類中引起亨廷頓氏病(一種神經(jīng)退行性疾病)，他們能夠建立并研究一種新的誘發(fā)疾病模型，作為他們研究的一部分。

與健康基因相反，研究中使用的亨廷頓基因變體編碼異常延長(zhǎng)的聚谷氨酰胺序列。在他們的實(shí)驗(yàn)中，兩名研究人員創(chuàng)建了一個(gè)特別具有攻擊性的疾病模型，其中包含109個(gè)連續(xù)的聚谷氨酰胺(Htt109Q)。顯然，四環(huán)素喂養(yǎng)的蠕蟲導(dǎo)致線蟲體內(nèi)亨廷頓聚集增加，進(jìn)而導(dǎo)致癱瘓，當(dāng)特異性靶向神經(jīng)元時(shí)，運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性嚴(yán)重喪失，記錄了誘導(dǎo)基因的神經(jīng)毒性。利用這種方法，馬丁加默丁格和莉娜伍姆泰勒可以在秀麗隱桿線蟲中建立第一個(gè)亨廷頓氏病誘導(dǎo)模型。由于現(xiàn)在可以隨意誘導(dǎo)亨廷頓蛋白等毒性蛋白，未來(lái)有可能產(chǎn)生和研究基于劇毒蛋白的其他疾病模型。

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