Белок-оборотень: лечит мозг, убивает кишечник. Биологи впервые получили раздельный контроль над каждой клеткой

В экспериментальной биологии долго существовало серьёзное ограничение. Учёные могли полностью удалить белок или выключить ген, но не имели инструментов для точного управления количеством белка в отдельных тканях живого организма на протяжении всей его жизни. Это мешало разбираться в процессах, где важны небольшие изменения, а не полное отключение молекулярных механизмов.

Особенно остро эта проблема проявлялась в исследованиях старения. Возрастные изменения зависят от постоянного взаимодействия между органами, а влияние одного и того же белка может сильно различаться в разных тканях. Если ген выключают целиком, становится трудно понять, где именно и за счёт чего возникает наблюдаемый эффект.

Исследователи из Центра геномной регуляции в Барселоне и Кембриджского университета предложили метод, который позволяет регулировать уровень белков более аккуратно. Новый подход даёт возможность повышать или снижать концентрацию выбранных белков в конкретных тканях, сохраняя контроль в течение всей жизни животного. При этом сами организмы продолжают нормально расти, питаться и развиваться.

Метод проверили на нематоде Caenorhabditis elegans — модельном организме, который широко используют для изучения старения и работы нервной системы. Учёные изменяли уровни белков в кишечнике и нейронах, наблюдая за животными в течение всей их жизни. Вмешательство не разрушало работу тканей и не требовало удаления белков целиком.

Новая система закрывает сразу несколько слабых мест прежних подходов. Многие инструменты либо действуют недолго, либо не позволяют сохранять контроль на протяжении всей жизни организма. Часто они затрагивают все ткани сразу, что мешает изучать процессы, зависящие от взаимодействия органов между собой.

Сложность изучения старения заключается в том, что его нельзя свести к работе одного гена или одной молекулы. Один и тот же белок способен замедлять возрастные изменения в одной ткани и ускорять их в другой. При грубых генетических вмешательствах такие различия теряются.

В основе новой технологии лежит система, пришедшая из биологии растений. В растениях гормон ауксин участвует в регуляции роста. На его основе был создан инструмент под названием auxin-inducible degron, сокращённо AID. В этой системе к исследуемому белку добавляют специальную метку. При наличии ауксина фермент TIR1 распознаёт эту метку и запускает разрушение белка. Когда ауксин удаляют, уровень белка восстанавливается.

Классический вариант AID давно применяют в лабораторной практике, но он работает как простой переключатель. Белок либо разрушается, либо присутствует в нормальном количестве. Управлять дозировкой и действовать избирательно в разных тканях таким способом сложно.

Исследовательская группа разработала более гибкую версию этой системы. Они создали несколько вариантов фермента TIR1 и соответствующих им меток. Каждый вариант реагирует на свой тип ауксина. Разместив разные версии фермента в разных тканях, удалось независимо регулировать уровень одного и того же белка, например в нейронах и в кишечнике.

Система также позволяет одновременно управлять двумя разными белками. Для проверки устойчивости метода его протестировали более чем на 100 тысячах нематод. Эксперименты показали, что контроль сохраняется стабильным и воспроизводимым на протяжении всей жизни животных.

Отдельной проблемой долгое время оставались репродуктивные ткани, где подобные системы работали нестабильно. Исследователи выяснили, что этому мешает специфический процесс, характерный для половой линии, и внесли изменения, которые позволили сохранить управление белками и в этих клетках.

В результате появился инструмент, позволяющий задавать не только место и время действия белка, но и его количество. Это даёт возможность изучать, какое именно изменение уровня молекулы имеет значение, в какой момент жизни оно становится критичным и как небольшие сдвиги в одной ткани со временем влияют на весь организм.