Оптогенетика - это метод, который разрабатывается уже несколько лет и направлен на объединение оптики и генетики для использования света для управления функцией клеток. Исследователи теперь используют оптогенетику для улучшения функции поврежденных митохондрий. Митохондрии широко известны как электростанция клетки; эти органеллы несут свой собственный крошечный геном и, хотя они являются важными генераторами энергии, у них также есть другие важные функции. В здоровых клетках сотни митохондрий собираются вместе в процессе, известном как слияние, а затем распадаются на более мелкие части, называемые делением, для поддержания баланса в клетках. Но слияние и деление, которые контролируются посредством экспрессии генов, могут стать несбалансированными, когда митохондрии не функционируют, объяснил Цзяцзе Диао, доктор философии Медицинского колледжа Университета Цинциннати. Этот митохондриальный дисбаланс связан с целым рядом заболеваний, включая некоторые виды рака и нейродегенеративные заболевания.
Ученые обнаружили, что маленькие мешочки в клетке, называемые лизосомами, могут играть определенную роль в делении митохондрий. Когда митохондрия соприкасается с лизосомой, лизосома может разлагать митохондрию на мелкие кусочки. В новом исследовании, опубликованном в Nature Communications, исследователи использовали оптогенетику, чтобы соединить митохондрии и лизосомы вместе в поврежденных клетках и вызвать деление, которое восстановило клеточную функцию.
"Многие белки в растениях чувствительны к свету, информируя растения о том, день сейчас или ночь. Оптогенетика заимствует эти светочувствительные белки из растений и использует их в клетках животных ", - объяснил соавтор исследования Кай Чжан, доктор философии, профессор Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн. "Прикрепляя такие белки к органеллам, можно использовать свет для контроля взаимодействия между ними, такими как митохондрии и лизосомы, показанные в этой работе".
В этом исследовании ученые использовали генетические инструменты для маркировки митохондрий и лизосом, каждая из которых имеет свой белок, который активируется синим светом. Лизосомы были помечены криптохромом из Arabidopsis thaliana (CRY2), а митохондрии были помечены взаимодействующей с криптохромом основной спиралью-петлей-спиралью (CIB). CRY2 и CIB сольются друг с другом, когда на них будет падать синий свет. Когда белки собираются вместе, это также объединяет прикрепленные митохондрии и лизосомы, вызывая деление.
"Мы обнаружили, что он может восстановить функцию митохондрий", - сказал Диао, который также является соавтором соответствующего исследования. "Некоторые клетки могут даже вернуться к нормальной жизни. Это доказывает, что с помощью простой световой стимуляции мы можем, по крайней мере, частично восстановить митохондриальную функцию клетки ".
Диао отметил, что у некоторых пациентов есть массивные митохондрии (например, при заболеваниях печени), которые необходимо разделить на более мелкие части, чтобы их клетки снова нормально функционировали. Этот метод может быть им полезен. Это также может быть полезно при лечении рака; если митохондрии в раковых клетках разрушаются, они теряют свой источник энергии и умирают. "Без нормальных функциональных митохондрий все раковые клетки будут убиты".
Поскольку свет стимулирует только определенные белки, Диао отметил, что таким образом можно использовать гораздо более целенаправленный подход. Свет также воздействует только на клетки, которые подвергаются воздействию, поэтому здоровые клетки могут быть сохранены. Хотя существуют и другие способы вызвать деление митохондрий, Диао предположил, что оптогенетика безопаснее, поскольку в ней не используются химические или токсичные вещества.
"То, что мы имеем, на самом деле является естественным процессом, мы просто ускоряем его", - сказал Диао. "Таким образом, это не похоже на химическую терапию или лучевую терапию, где вам нужно уменьшить побочные эффекты".
Исследователи работают над разработкой новых инструментов и с другими цветами света. Для работы с тканями человека, вероятно, потребуются более длинные волны, так что это применение все еще в будущем.
"Мы хотели бы еще больше расширить инструментарий, представив многоцветные оптогенетические системы, которые дадут нам множество способов контролировать поведение и взаимодействие органелл", - сказал Чжан. "Например, один цвет заставляет органеллы собираться вместе, в то время как другой цвет заставляет их расходиться. Таким образом, мы можем точно контролировать их взаимодействие ".
