Ученые разработали тепловой триггер для управления гибелью клеток

Схема термогенетического инструмента для контроля активации CASP8, индуцирующего запрограммированную гибель клеток. Автор: доктор С. Араи, Университет Канадзавы

Исследователи из Института нанонауки о жизни (WPI-NanoLSI) Университета Канадзавы сообщают в ACS Nano о том, как белки в клетках можно контролируемо активировать с помощью нагрева — эффект, который можно использовать для инициации запрограммированной гибели клеток.

Клеточные процессы регулируются активностью белков. Возможность контролировать функционирование белков поэтому крайне важна для разработки биотехнологических инструментов. Однако сделать это с достаточной пространственной и временной точностью — огромная задача. Один из подходов к решению этой проблемы, называемый термогенетикой, основан на тепловом ответе определенных белков, когда небольшое нагревание или охлаждение приводит к их (де)активации.

Теперь Конг Куанг Ву и Сатоши Араи из Университета Канадзавы разработали термогенетический инструмент на основе полипептидов, который позволяет легко регулировать температуру активации белка, и использовали его для достижения запрограммированной гибели клеток человеческого происхождения.

Ученые работали с так называемыми эластин-подобными полипептидами (ELP), биополимерами, состоящими из повторяющихся строительных блоков аминокислот. ELP растворимы ниже определенной температуры; выше температурного порога они группируются в коацерватные капли.

Температура перехода ELP зависит от точного состава его мономерного строительного блока, а также от количества мономеров. Изменяя эти характеристики, можно точно настроить температуру перехода ELP, что открывает возможность проектирования температурно-чувствительных биомолекулярных систем, которые могут быть термически активированы и деактивированы.

Исследователи соединили ELP с белком под названием каспаза-8 (CASP8), который встречается у людей и других млекопитающих. При активации CASP8 претерпевает структурные преобразования, которые в конечном итоге приводят к гибели клетки-хозяина — процесс, известный как апоптоз.

Ву и Араи стремились разработать ELP с температурой перехода на несколько градусов выше температуры тела, чтобы для индукции перехода из раствора в коацерватные капли требовалось лишь мягкое нагревание. Затем этот ELP был слит с CASP8. Выше температуры перехода комплексы ELP-CASP8 формировали коацерватные капли, заставляя части CASP8 выстраиваться таким образом, что запускалась активация.

Чтобы иметь возможность отслеживать, происходит ли активация CASP8 на самом деле, ученые разработали индикатор CASP8. Механизм индикации включает флуоресцентные белки, которые, как только CASP8 активируется, перемещаются извне внутрь ядра клетки. Измерение интенсивности флуоресценции флуоресцентных белков в ядре клетки затем позволило различить активированный и неактивированный CASP8.

Чтобы проверить осуществимость предложенной схемы термогенетической активации CASP8, Ву и Араи применили ее к клеткам, полученным из человеческой почки. Они обнаружили, что термочувствительная система CASP8 действительно приводила к индуцированной гибели клеток при повышении температуры. Исследователи также провели эксперименты с локальным нагреванием с помощью инфракрасного лазера, продемонстрировав, что их подход к контролируемому термогенетически апоптозу работает и на уровне одиночной клетки.

Ву и Араи предполагают, что их термогенетический инструмент может быть применен и к другим клеточным процессам, помимо апоптоза, прокладывая путь для различных биотехнологических применений. Ученые поясняют: «Заменив CASP8 другими биомолекулами, можно разработать дополнительные термогенетические инструменты для модуляции различных клеточных функций, таких как активность ферментов, белок-белковые взаимодействия и экспрессия генов».

Больше информации: Конг Куанг Ву и др., Термогенетический инструмент с использованием эластин-подобных полипептидов для контроля запрограммированной гибели клеток, ACS Nano (2025). DOI: 10.1021/acsnano.5c07332

Источник: Университет Канадзавы