Лаборатория по изучению бедности Абдула Латифа Джамиля (J-PAL)
Институт Пиковера по изучению обучения и памяти
Школа гуманитарных, художественных и социальных наук
Шварцмановский колледж вычислительной техники Массачусетского технологического института
Трекер одиночных молекул проясняет работу связанных с раком белков
Используя мощный метод одиночномолекулярной визуализации, который они разработали, исследовательская группа из Института Броуда при MIT и Гарварде представила динамическое представление о том, как некоторые белки, связанные с раком, взаимодействуют в живых клетках.
Техника опирается на высокостабильные наночастичные зонды, которые ярко подсвечивают отдельные молекулы в течение длительного времени. Исследователи применили свой метод, чтобы впервые наблюдать отдельные рецепторы, перемещающиеся по мембране клетки, соединяющиеся с другими рецепторами, а затем разъединяющиеся, что изменяет сигнальные процессы внутри клетки.
Описанная в журнале Cell работа демонстрирует потенциал метода для изучения других рецепторов и молекул, а также для улучшенного скрининга препаратов с целью лучшего понимания влияния терапевтических средств на живые клетки.
«С нашими фотостабильными зондами мы можем отследить весь жизненный цикл этих молекул в их природной среде и увидеть то, что ранее было недоступно наблюдению», — говорит руководитель исследования Сэм Пенг, штатный сотрудник Института Броуда и доцент химии в MIT.
Метод Пенга решает проблему существующих контрастных агентов, используемых в одиночномолекулярном трекинге, таких как красители. Под лазерным светом, которым возбуждают эти красители, они выгорают через несколько секунд в явлении, известном как фотоблейчинг, вследствие чего ученые могли лишь делать несколько снимков клеточных рецепторов и не могли проследить их на протяжении всего сигнального процесса.
Для более продолжительного и насыщенного наблюдения лаборатория Пенга разработала долговечные зонды, известные как наночастицы с преобразованием возбуждения (upconverting nanoparticles), которые излучают сигналы, остающиеся стабильными при лазерном возбуждении. Наночастицы содержат ионы редкоземельных элементов, которые продолжают люминесцировать в течение минут, часов и потенциально лет. Кроме того, изменяя тип и концентрацию ионов, ученые могут конструировать зонды, излучающие в разных цветах, что позволяет отслеживать множество целей в одном эксперименте.
В текущем исследовании ученые стремились раскрыть новую биологию, сосредоточив внимание на семействе клеточных рецепторов EGFR, которые связаны с несколькими видами рака. Они сотрудничали со специалистами по EGFR Мэттью Мейерсоном и Хайди Гройлих из Программы по раку Института Броуда. Было известно, что рецепторам EGFR необходимо образовывать пары, или «димеризоваться», чтобы инициировать внутриклеточную сигнализацию, но исследователи хотели узнать больше о динамике этих образований — с какими партнерами рецепторы объединяются, как долго они держатся вместе и как находят новых партнеров.
Для более длительного и качественного наблюдения команда настроила свои наночастицы с преобразованием возбуждения на маркировку EGFR и родственных рецепторов HER2 и HER3, которые также связаны с раком, и использовала их для отслеживания молекул в живых человеческих клетках.
В этом исследовании Пенг и его команда обнаружили, что при активации стимулирующей молекулой рецепторы EGFR могут образовывать пары и оставаться в димерном состоянии в течение нескольких минут — то, что было недоступно наблюдению с помощью традиционных красителей. Чрезмерная и продолжительная димеризация может приводить к избыточному росту клеток и развитию рака.
Когда молекулы EGFR несли раково-ассоциированные мутации, димеры становились более стабильными, и более стабилизирующие мутации были связаны с более агрессивными формами рака у людей. Кроме того, мутировавшие рецепторы могли образовывать стабильные димеры даже без внешнего стимула, побуждающего к димеризации. Это открытие помогает объяснить, как мутации EGFR могут приводить к неконтролируемому росту клеток и развитию рака, и может информировать усилия по таргетной терапии этого процесса.
Команда также обнаружила несколько других новых и неожиданных деталей о том, как HER2 и HER3 формируют стабильные пары между собой, что проясняет роль этих молекул в родственных видах рака.
Когда исследователи пометили все три типа рецепторов в одном эксперименте, они наблюдали живую картину: рецепторы перемещались по поверхности клетки, находили партнеров, расходились и снова находили новых партнеров снова и снова.
Помимо прояснения биологии EGFR, ученые надеются, что коллеги из других областей применят их метод для постановки новых научных вопросов о других белках. «Мы считаем, что эта техника может стать трансформирующей для изучения молекулярной биологии, поскольку она позволяет наблюдать динамические биологические процессы с высоким пространственно-временным разрешением на беспрецедентных временных масштабах», — говорит Пенг.
Они также планируют изучать применение метода для исследования механизма действия лекарств, чтобы показать, как потенциальные терапевтические средства изменяют отдельные молекулы с течением времени. Кроме того, они продолжат совершенствовать свои методы, например делая зонды меньше, ярче и способными излучать больше цветов.
