Активируемые светом молекулы останавливают гибель клеток одним щелчком

Апоптоз - это запрограммированный комплекс биохимических процессов, которые в конечном счете приводят к гибели клетки.
Ученые много знают об этом явлении: от молекулярной экспрессии до реагентов, которые останавливают уничтожение клетки, однако, ученые ставят перед собой задачу не просто наблюдать апоптоз, но и контролировать его.
С этой целью биохимик Стивен Верхелст из KU Leuven в Бельгии и его аспирант Сурави Чакрабарти решили использовать технику, называемую фотоклеткой, для создания ингибитора каспаз (ферменты, участвующие в апоптозе), которые можно контролировать с помощью света.

Для того чтобы небольшая молекула могла эффективно ингибировать (подавлять) каспазу, ей нужен отрицательный заряд в нужном месте, чтобы поместиться в положительно заряженный очаг фермента.
Верхелст и Чакрабарти решили разработать молекулу, имеющую фотоклетку, которая будет находится на вершине этого отрицательного заряда и препятствуя связыванию ингибитора, не позволит каспазам осуществлять апоптоз.

"Если бы мы могли блокировать этот отрицательный заряд, мы бы фактически на 99% были уверены, что он не подавит протеазу", - говорит Верхельст. Затем он и Чакрабарти подумали, что свет может быть использован для высвобождения ингибитора из фотоклетки в определенное время и в определенном месте.

Пятнадцать минут УФ-облучения удаляют нитроиндолиновую фотоклетку из ингибитора каспаз, высвобождая небольшую молекулу, чтобы каспазы не осуществляли апоптоз культивируемых Т-клеток человека.

В рамках исследования ученые синтезировали ингибиторы каспаз с различными защитными группами, которые служили фотоклетками, и нашли один, с использованием нитроиндолина, который был стабилен в растворе не менее трех дней.
Затем группа облучала нитроиндолин-фотоклетку УФ-светом, чтобы проверить, не разорвет ли он связь углерод-азот, связывающую фотоклетку с ингибитором.
"Потребовалось всего пять минут, чтобы вся протеаза в образце стала активной", - говорит Верхелст. Затем он и Чакрабарти протестировали свой фотоклеточный ингибитор на очищенных каспазах, клеточных лизатах и, наконец, на клетках в культуре.

Исследователи решили инкубировать человеческие Т-клетки с реагентами для индукции апоптоза - новым ингибитором и молекулярным маркером, который флуоресцирует зеленым цветом в апоптотических клетках, и визуализировали культуры каждые два часа.
В образцах, которые не подвергались воздействию ультрафиолетового света, заключенный в клетку ингибитор не мешал каспазам осуществлять апоптоз, и все клетки погибали, а в образцах, подвергшихся 15-минутному облучению УФ-лучами, апоптоз полностью подавлялся.

"Отдаю должное этим ученым за ту работу, которую они провели", - говорит Томас Л. Браун, клеточный и молекулярный биолог из Государственного университета Райта, который изучал ингибиторы каспаз и апоптоз.
По его словам, модифицировать ингибиторы каспаз - сложная задача, так как непросто заставить их работать. "Такие исследования всегда открывают новые возможности, - говорит Браун, но добавляет, что применение ингибитора с фотокамерой ограничено отчасти потому, что УФ-излучение не проникает глубоко в ткани".

Верхельст говорит, что его команда хотела бы разработать ингибиторы, активизирующихся инфракрасным или ближним инфракрасным светом, который может достигать нескольких миллиметров в коже, чтобы преодолеть некоторые из этих ограничений, но пока он планирует использовать фотоактивированный ингибитор каспазы в прозрачных эмбрионах рыбок данио (Danio rerio).
Апоптоз необходим для развития многоклеточных организмов, и подавление этой формы гибели клеток на различных стадиях эмбрионального роста может пролить свет на «функцию апоптоза в определенных местах и в определенное время», - говорит Верхелст, добавляя, что он также надеется разработать светорегулируемые ингибиторы других протеаз.

"Это своего рода фундаментальное исследование, в котором можно изолировать ингибитор, а также извлекать его из клетки с помощью УФ-излучения", - говорит Браун. "Работа в этой области открывает дверь для раскрытия других механизмов активации, которые не включают ультрафиолет для использования в более сложных системах".