Has oído hablar de "naturaleza versus crianza", y los filósofos discuten sobre cuál es más importante. Pero, ¿cómo funciona esto a nivel celular?
Aunque los genes permanecen igual durante toda la vida, el código genético no es necesariamente el destino de una persona. De hecho, los genes se pueden activar y desactivar para regular una serie de actividades dentro de las células. El cuerpo hace esto naturalmente en respuesta a las necesidades internaso cambios en el entorno externo, y ahora los científicos pueden activar y desactivar estos procesos en el laboratorio. En otras palabras, los investigadores han creado herramientas que permitirían la activación en tiempo real de genes diana en ubicaciones específicas del genoma.puede ayudar a los científicos a iluminar la función del gen durante diferentes procesos biológicos y, con suerte, ser útil en medicina regenerativa. Los investigadores de Texas A&M están creando un sistema para hacer esto usando dos elementos comunes: calcio y luz.
El calcio, capaz de mucho más que construir huesos fuertes, juega un papel importante en este sistema, ya que sus señales regulan una serie de actividades dentro de la célula, desde el crecimiento y el metabolismo hasta la homeostasis.
Activando el flujo de iones de calcio
Yubin Zhou, PhD, profesor asociado en el Instituto de Biociencias y Tecnología de Texas A&M, dirige el estudio que desarrolla lo que él llama el sistema CaRROT para la herramienta de reprogramación transcripcional sensible al calcio. Este sistema puede controlar la transcripción de genes dentro del cuerpocon alta precisión, en otras palabras, puede dictar cómo, cuándo y dónde los genes crean proteínas que realizan diversas funciones celulares.
CaRROT utiliza un simple pulso de luz o productos químicos que pueden inducir el flujo de iones de calcio a las células. Los investigadores describieron su técnica en un artículo reciente publicado en la revista Biología Sintética ACS . "Esta tecnología debería permitir a los científicos encender o apagar una gran variedad de genes en cualquier lugar simplemente cambiando la luz o agregando o retirando compuestos activadores", dijo Zhou.
Los investigadores diseñaron CaRROT para secuestrar las señales de calcio generadas por la luz con Opto-CRAC, otra tecnología desarrollada por Zhou y su equipo para entregar la herramienta de ingeniería del genoma derivada del sistema CRISPR / Cas9 para activar los genes ".la luz se enciende, las puertas que controlan los iones de calcio se abren para permitir el flujo de calcio desde el espacio externo hacia el citoplasma de la célula ", dijo Nhung Nguyen, un estudiante graduado en el laboratorio de Zhou que dirigió este trabajo." Este proceso finalmente se enciende.la expresión de genes específicos ". La activación de la expresión génica conduce a cambios en la función de la célula.
"Hemos examinado docenas de proteínas modificadas y hemos realizado numerosas rondas de optimización para que el sistema CaRROT responda estrictamente a la luz", agregó Lian He, PhD, estudiante graduada en el laboratorio de Zhou y coautora del estudio.Para evaluar qué tan efectivo es realmente CaRROT en las células de mamíferos, el equipo lo probará en genes que controlan la diferenciación de las neuronas y el músculo esquelético. Esperan poder usar CaRROT en la medicina regenerativa para impulsar la diferenciación precisa de las células madre en cualquier tipo de órganose requiere, simplemente iluminando las células con luz.
"La mejora de la penetración de la luz en el tejido profundo nos da el optimismo de que podríamos usar CaRROT para reprogramar las células en los órganos dañados", dijo Yun Huang, PhD, autor principal colaborativo del estudio. "Es posible que algún día,simplemente exponiendo los tejidos a la luz, podemos curar la herida o acelerar la regeneración de los tejidos lesionados mediante el ajuste de la expresión genética coordinada ".
Desactivar la entrada de calcio
En un segundo estudio publicado recientemente en la revista Angewandte Chemie como una historia de portada, Zhou y su equipo inventaron una nueva herramienta optogenética que puede hacer el truco opuesto. Con la luz que brilla sobre las células en los tejidos 'excitables' como los sistemas nervioso y cardiovascular, el calcio ingresa a través de las puertas en la membrana dela célula, llamada canales de calcio dependientes de voltaje, puede apagarse. Estos canales, que constituyen la ruta principal de entrada de calcio en la célula, regulan una serie de procesos fisiológicos. Debido a que su disfunción está involucrada en muchas enfermedades, se consideran unimportante objetivo terapéutico para trastornos cardiovasculares y neuropsiquiátricos.
Los bloqueadores tradicionales de los canales de calcio aprobados por la Administración de Drogas y Alimentos de los Estados Unidos se han utilizado ampliamente para tratar trastornos cardiovasculares, como presión arterial alta, arritmia y enfermedad de las arterias coronarias. Sin embargo, estos medicamentos tienden a causar efectos secundarios, como dolor de cabeza, edema, presión arterial peligrosamente baja y palpitaciones, debido a su citotoxicidad y efectos fuera del objetivo. "Debido a estos efectos secundarios, es muy necesario generar nuevos enfoques de intervención para complementar los bloqueadores tradicionales de los canales de calcio en la clínica", dijo Zhou ".Nuestra nueva herramienta optogenética proporciona un método no convencional para interrogar procesos fisiológicos y fisiopatológicos medicados por estos canales de calcio dependientes de voltaje ".
Zhou y sus colaboradores combinaron estrategias genéticas con técnicas ópticas para diseñar una nueva clase de inhibidores codificados genéticamente para estos canales de calcio dependientes de voltaje. "Después de enormes esfuerzos de optimización, desarrollamos un inhibidor fotoconmutable ideal, al que llamamos optoRGK.OptoRGK exhibió una excelente inhibición inducible por la luz de la entrada de iones de calcio en células excitables ", dijo Guolin Ma, PhD, científico asistente del proyecto en el laboratorio de Zhou, quien encabezó el proyecto.
El equipo probó esta herramienta en células musculares cardíacas, que mostraron oscilaciones rítmicas de calcio en la oscuridad que coincidían con el ritmo cardíaco. "Sin embargo, con la iluminación de luz azul, las oscilaciones rítmicas pueden reducirse sustancialmente o incluso terminarse", dijo Zhou"Notablemente, este proceso es totalmente reversible después de la eliminación de la fuente de luz".
Con este método, los investigadores pueden regular la actividad de las células excitables en los sistemas nervioso y cardiovascular. "Complementario del sistema Opto-CRAC fotoactivable, el kit de herramientas optoRGK ofrece una oportunidad única para apagar las señales de calcio en las células excitables", dijo YoujunWang, PhD, colaborador de este estudio de la Universidad Normal de Beijing.
"Nuestras nuevas herramientas optogenéticas se pueden aplicar convenientemente para controlar una amplia gama de procesos fisiológicos mediados por canales de calcio dependientes de voltaje en múltiples sistemas biológicos", agregó Zhou. "Mientras que los bloqueadores tradicionales de canales de calcio dependientes de voltaje carecen de reversibilidad, selectividad y tejido-especificidad, optoRGK abre oportunidades emocionantes para intervenir en procesos fisiológicos relacionados con una precisión sin precedentes. Esperamos que este tipo de estudios eventualmente conduzca a una nueva generación de dispositivos optogenéticos para curar el cáncer, enfermedades cardiovasculares y neurológicas ".
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Materiales proporcionado por Universidad de Texas A&M . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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