Kwas deoksyrybonukleinowy (DNA) organizmów żywych zawiera elementy regulacyjne, które kontrolują, kiedy, gdzie i w jakim stopniu określone geny są włączane lub wyłączane. Można je wykorzystać do tworzenia „przełączników genów”, które pomagają zrozumieć ekspresję genów i znajdują zastosowanie terapeutyczne, szczególnie w leczeniu osób z zaburzeniami uwarunkowanymi genetycznie.

W ostatnich latach naukowcy opracowali kilka przełączników genów, które umożliwiają zdalną kontrolę ekspresji genów w organizmach żywych za pomocą bodźców takich jak leki, światło, ciepło, ultradźwięki i sygnały elektryczne. Jednak obecne wersje mają ograniczone możliwości precyzyjnej kontroli czasu trwania ekspresji genów. Ponadto przełączanie genów oparte na lekach może mieć niepożądane skutki uboczne, a bodźce takie jak światło z trudem docierają do głębiej położonych tkanek.

Zespół badawczy pod kierownictwem profesora Jongpila Kima i doktoranta Yerima Hwanga z Dongguk University w Korei Południowej opracował (https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(26)00330-2) nowatorski przełącznik genów reagujący na pole elektromagnetyczne (PEM).

- W poprzednich badaniach wykazano, że pola PEM o ekstremalnie niskiej częstotliwości modulują ekspresję specyficznych genów zaangażowanych w reakcję na stres, przebudowę epigenetyczną i szlaki sygnalizacji komórkowej. Co więcej, PEM jest nieinwazyjne, w pełni odwracalne i może precyzyjnie penetrować docelowe tkanki lub obszary ciała, co czyni je niezwykle atrakcyjnymi do zdalnego sterowania przełączaniem genów – wyjaśnił prof. Kim.

- W tym badaniu wykorzystaliśmy promotor genu Lgr4 do stworzenia przełącznika genu indukowanego polem elektromagnetycznym (PEM) i zademonstrowaliśmy jego zastosowanie w modelowaniu choroby Alzheimera (AD) i odwracaniu markerów starzenia u myszy - dodał.

Aby zidentyfikować geny wrażliwe na pole elektromagnetyczne, naukowcy przeprowadzili sekwencjonowanie RNA pojedynczych komórek (scRNA-seq) w tkance mózgowej myszy po ekspozycji na pole elektromagnetyczne o natężeniu 2,0 militesli i częstotliwości 60 Hz. Pole o takim natężeniu stosowane jest obecnie na przykład w zabiegach magnetoterapii ze względu na działanie przeciwbólowe, przeciwzapalne oraz wspomagające regenerację tkanek.

Naukowcy zaobserwowali wpływ pola elektromagnetycznego na regulację ekspresji genu Lgr4, który odgrywa kluczową rolę w rozwoju zarodkowym, utrzymaniu homeostazy, metabolizmie oraz w procesach nowotworowych. Dalsze prace potwierdziły, że promotor Lgr4 doskonale nadaje się do konstrukcji przełącznika genu indukowanego polem elektromagnetycznym (Ei), wykazując precyzyjną aktywację bez wykrywalnych skutków ubocznych.

Aby ocenić system na żywych zwierzętach, naukowcy połączyli przełącznik ze znacznikiem, który wytwarza zielone białko fluorescencyjne (GFP), umożliwiając wizualizację aktywności genu. Następnie wyhodowali transgeniczne myszy z tym znacznikiem. Po ekspozycji na pole elektromagnetyczne myszy wykazywały silną ekspresję GFP w całym ciele, podczas gdy ukierunkowana ekspozycja na pole elektromagnetyczne powodowała lokalną ekspresję genów w określonych narządach. Po zaprzestaniu stymulacji polem elektromagnetycznym ekspresja genów powróciła do poziomu wyjściowego w ciągu 24 godzin, co dowodzi, że przełącznik genu jest wysoce dostrajalny, odwracalny i zdolny do precyzyjnej zdalnej kontroli ekspresji genów.

Wykorzystując całogenomowy test eliminacji genu CRISPR-Cas9, naukowcy zidentyfikowali cytochrom b5 typu B (Cyb5b), białko związane z błoną komórkową, jako biologiczny czujnik pola elektromagnetycznego. - Może to być pierwszy opisany molekularny czujnik pól elektromagnetycznych – zauważa prof. Kim.

Dalsze testy wykazały, że w wyniku ekspozycji na pole elektromagnetyczne Cyb5b wytwarza rytmiczne oscylacje napływu jonów wapnia do komórek, działając jako specyficzny kod aktywujący gen docelowy.

Naukowcy zademonstrowali również kilka zastosowań przełącznika genu Ei. Co istotne, stworzyli mysi model choroby Alzheimera, który oddziela starzenie się mózgu od odkładania się blaszek β-amyloidu. Ponadto, cykliczna ekspozycja na pole elektromagnetyczne została wykorzystana do częściowego przeprogramowania komórkowego u myszy w podeszłym wieku i myszy ze szczepu, który szybko się starzeje (progeroidalnych), co pozwoliło na poprawę kilku markerów związanych ze starzeniem się bez wykrywalnych skutków ubocznych. Zespół przywrócił również poziom serotoniny i zredukował zachowania depresyjne u myszy poprzez kontrolowanie ekspresji genu Tph2.

- Ta technologia może pozwolić na odejście od terapii genowej z jednorazowej, nieodwracalnej dawki na rzecz prostszych metod leczenia w czasie rzeczywistym, podawanych przez lekarzy, a nawet za pomocą urządzeń przenośnych – podkreślił doktorant Yerim Hwang.

Zdaniem autorów badań, chociaż wymagana jest dalsza walidacja i testy, innowacyjny przełącznik genu Ei stanowi obiecującą platformę do opracowywania nieinwazyjnych, zdalnie sterowanych terapii genowych.

Paweł Wernicki (PAP)

pmw/ agt/