Переключение ввода-вывода сигналов в человеческих клетках с использованием модульных внеклеточные сенсоров

Разработчики

Келли А. Шварц, Николь М. Дэринджер, Тейлор Б. Долберг, Джошуа Н. Леонард.

Описание технологии

Терапия на основе клеточной инженерии − это перспективная развивающаяся стратегия лечения различных заболеваний. Ее реализация требует создания новых инструментов инженерии клеток для того, чтобы клетки воспринимали растворимые внеклеточные факторы, обеспечивающие информацию о физиологическом состоянии и локальной окружающей среде, и реагировали на них. Модифицированные с помощью клеточной инженерии рецепторы или системы проведения сигналов от рецептора, которые способны ощущать лиганды нераспознаваемые нативными рецепторами или системами, служат в качестве примеров таких инструментов.

В данной технологии предлагается сенсорная стратегия биоинженерной реконструкции изолированной системы передачи сигнала от рецептора. Эта система носит название модульной внеклеточной сенсорной архитектуры (MESA). Каждый рецептор MESA включает в себя две трансмембранные цепи — мишень-связывающую цепь и протеазную цепь. В этой системе лиганд-связанная индуцированная димеризация внеклеточных доменов рецептора приводит к внутриклеточному транс-расщеплению мишень-связывающей цепи протеазной цепью, за счет чего секвестрированный фактор транскрипции высвобождается в цитоплазму. Хотя предыдущее исследование показало работоспособность механизма MESA, распознавание лигандов с его помощью ограничено: он обнаруживает только модельные анализируемые вещества из класса малых молекул.

Авторы технологии исследовали, можно ли воздействовать на дизайн MESA так, чтобы создать общую платформу для переключения клеточных функций в ответ на соответствующие физиологические сигналы. Они разработали такие рецепторы MESA, которые позволяют клеткам воспринимать сосудистый эндотелиальный фактор роста (VEGF) и в ответ секретировать интерлейкин 2 (IL-2). Внедрив эти рецепторы в Т-клетки человека, авторы получили у Т-клеток новые функции, не наблюдающиеся в природе, а именно, создали иммунную клетку, которая реагирует на нормальный иммуносупрессивный сигнал VEGF, производя иммуностимулирующий фактор (IL-2). Поскольку эта платформа использует модульные, легко реконструируемые домены связывания лиганда (антител) и изменяемые выходные молекулы (факторы транскрипции, программируемые с помощью Cas9), этот подход может быть легко модифицирован для применения к новым входным и выходным воздействиям.

Практическое применение

Технология обладает большим потенциалом для дальнейшего использования в биоинженерии.
Платформа MESA при включении ее в биоинженерные клетки, реагирующие на целевой внеклеточный сигнал с помощью экспрессии трансгенов или эндогенных генов, может принимать участие в быстрой реализации и оценке различных терапевтических стратегий.
Кроме того, она может обеспечить уникальные возможности для фундаментальных исследований многоклеточных сетей и целых организмов, например, для пространственного и временного мониторинга наличия сосудистого эндотелиального фактора роста в живом организме. Кроме того, платформа MESA может дополнять генетические инструменты, такие как генный нокаут и нокин, с целью тестирования новых гипотез, относящихся к функции многоклеточных сетей.

Таким образом, MESA — перспективная новая технология для синтетической биологии млекопитающих. Этот обобщенный подход к переключению клеточных функций может использоваться как для трансляционных, так и для фундаментальных биологических исследований.

Лаборатории

• Department of Chemical and Biological Engineering, Northwestern University, Evanston (USA)
• Center for Synthetic Biology, Northwestern University, Evanston (USA)
• Chemistry of Life Processes Institute, Northwestern University, Evanston (USA)
• Member, Robert H. Lurie Comprehensive Cancer Center, Northwestern University, Evanston (USA)

Ссылки

Публикации

• Schwarz, K.A. et al. «Rewiring human cellular input-output using modular extracellular sensors." 13 Nature Chemical Biology (2017): 202–209.
• Schwarz, K.A. & Leonard, J.N. «Engineering cell-based therapies to interface robustly with host physiology." 105 Adv. Drug Deliv. Rev. (2016): 55–65.
• Daringer, N.M., et al. «Modular extracellular sensor architecture for engineering mammalian cell-based devices." 3 ACS Synth. Biol. (2014): 892–902.