Durch die Manipulation von Zellen zur Expression einer modifizierten RNA namens "Spinat" haben Forscher niedermolekulare Metaboliten in lebenden Zellen abgebildet und beobachtet, wie sich ihre Konzentrationen im Laufe der Zeit ändern. Metaboliten sind die Produkte des individuellen Zellstoffwechsels. Die Fähigkeit, ihre Produktionsrate zu messen, könnte verwendet werden, um eine Zelle zu erkennen, die metabolisch schief gegangen ist, wie bei Krebs, oder um das Medikament zu identifizieren, das die Metaboliten der Zelle wieder normalisieren kann.
Forscher am Weill Cornell Medical College sagen, dass der Fortschritt, der in der Science-Ausgabe vom 9. März beschrieben wurde, das Potenzial hat, das Verständnis des Metaboloms zu revolutionieren, der Tausenden von Metaboliten, die chemische Fingerabdrücke der dynamischen Aktivität in Zellen liefern.
"Die Fähigkeit, Metaboliten in Aktion zu sehen, wird uns neue und aussagekräftige Hinweise darauf geben, wie sie bei Krankheiten verändert werden, und uns helfen, Behandlungen zu finden, die ihre Werte wieder normalisieren können", sagt Dr. Samie R. Jaffrey, an außerordentlicher Professor für Pharmakologie am Weill Cornell Medical College. Dr. Jaffrey leitete die Studie, an der drei weitere Forscher von Weill Cornell teilnahmen.
"Metabolitenspiegel in Zellen kontrollieren so viele Aspekte ihrer Funktion, und aus diesem Grund liefern sie eine aussagekräftige Momentaufnahme dessen, was zu einem bestimmten Zeitpunkt in einer Zelle vor sich geht", sagt er.
Zum Beispiel wissen Biologen, dass der Stoffwechsel in Krebszellen anormal ist; Diese Zellen ändern ihre Verwendung von Glukose zur Energiegewinnung und produzieren einzigartige Abbauprodukte wie Milchsäure, wodurch ein ausgeprägtes Stoffwechselprofil entsteht. "Die Fähigkeit, diese Stoffwechselanomalien zu sehen, kann Ihnen sagen, wie sich der Krebs entwickeln könnte", sagt Dr. Jaffrey. „Aber bisher war es sehr schwierig, Stoffwechselprodukte in lebenden Zellen zu messen."
In der Science-Studie demonstrierten Dr. Jaffrey und sein Team, dass spezifische RNA-Sequenzen verwendet werden können, um die Spiegel von Metaboliten in Zellen zu erfassen. Diese RNAs basieren auf der Spinat-RNA, die in Zellen ein grünliches Leuchten ausstrahlt. Dr. Jaffreys Team modifizierte Spinat-RNAs so, dass sie abgesch altet werden, bis sie auf den Metaboliten treffen, an den sie speziell binden sollen, wodurch die Fluoreszenz von Spinat angesch altet wird. Sie entwarfen RNA-Sequenzen, um die Konzentrationen von fünf verschiedenen Metaboliten in Zellen zu verfolgen, darunter ADP, das Produkt von ATP, dem Energiemolekül der Zelle, und SAM (S-Adenosylmethionin), das an der Methylierung beteiligt ist, die die Genaktivität reguliert. „Vorher konnte niemand beobachten, wie sich die Werte dieser Metaboliten in den Zellen in Echtzeit verändern“, sagt er.
Das Einbringen der RNA-Sensoren in lebende Zellen ermöglicht es Forschern, die Spiegel eines Zielmetaboliten in einer einzelnen Zelle zu messen, während er sich im Laufe der Zeit verändert. „Man konnte sehen, wie sich diese Werte als Reaktion auf Signalwege oder genetische Veränderungen dynamisch verändern. Und Sie können Medikamente testen, die diese genetischen Anomalien normalisieren“, sagt Dr. Jaffrey. „Ein Hauptziel ist es, Medikamente zu identifizieren, die den Zellstoffwechsel normalisieren.“
Diese Strategie überwindet die Nachteile der vorherrschenden Methode zur Erkennung von Molekülen in lebenden Zellen unter Verwendung von grün fluoreszierendem Protein (GFP). GFP und andere Proteine können zum Erfassen von Metaboliten verwendet werden, wenn sie mit natürlich vorkommenden Proteinen fusioniert sind, die den Metaboliten binden. In einigen Fällen kann die Bindung von Metaboliten die Proteine in einer Weise verdrehen, die ihre Fluoreszenz beeinflusst. Für die meisten Metaboliten sind jedoch keine Proteine verfügbar, die mit GFP fusioniert werden können, um Sensoren herzustellen.
Durch die Verwendung von RNAs als Metabolitensensoren wird dieses Problem überwunden. „Das Erstaunliche an RNA ist, dass man RNA-Sequenzen herstellen kann, die im Wesentlichen an jedes beliebige kleine Molekül binden. Sie können in ein paar Wochen hergestellt werden“, sagt Dr. Jaffrey. Diese künstlichen Sequenzen werden dann mit Spinat fusioniert und als ein einzelner RNA-Strang in Zellen exprimiert.
"Dieser Ansatz würde es Ihnen möglicherweise ermöglichen, jeden niedermolekularen Metaboliten, den Sie untersuchen möchten, zu nehmen und ihn in Zellen zu sehen", sagt Dr. Jaffrey. Er und seine Kollegen haben die Technologie erweitert, um Proteine und andere Moleküle in lebenden Zellen nachzuweisen.
Er fügt hinzu, dass der Einsatz der Technologie zum Verständnis der menschlichen Biologie auf viele Krankheiten angewendet werden kann. "Wir sind sehr daran interessiert zu sehen, wie metabolische Veränderungen in Gehirnneuronen zu Entwicklungsstörungen wie Autismus beitragen", sagt Dr. Jaffrey. "Es gibt viele Möglichkeiten, was dieses neue Tool betrifft."
Zu den Co-Autoren der Studie gehören Dr. Jeremy S. Paige, Mr. Thinh Nguyen Duc und Dr. Wenjiao Song von der Abteilung für Pharmakologie am Weill Cornell Medical College.
Die Studie wurde vom National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering des NIH und der McKnight Foundation finanziert. Das Cornell Center for Technology Enterprise and Commercialization (CCTEC) hat im Auftrag der Cornell University einen Patentschutz für diese Technologie beantragt. Dr. Samie Jaffrey ist Gründer und wissenschaftlicher Berater von Lucerna Technologies und hält Beteiligungen an diesem Unternehmen. Darüber hinaus verfügt Lucerna Technologies über eine Lizenz, die sich auf die hier beschriebene Technologie bezieht.
