Исследование, опубликованное в Science Advances, демонстрирует улучшение автономной биолюминесценции благодаря использованию гиспидинсинтаз из растений вместо грибных. Применение компактных растительных поликетидсинтаз III типа снижает размер трансгена и, тем самым, облегчает внедрение генов биолюминесценции в различные гетерологичные системы. Обнаружено, что ключевым лимитирующим фактором люминесцентного сигнала в трансгенных организмах является метаболизм гиспидина.

Международная коллаборация учёных во главе с сотрудниками Института биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН разработала новую гибридную систему биолюминесценции, объединяющую гены грибов и растений. При экспрессии такой системы в различных гетерологических хозяевах у них возникает способность к автономному свечению. Результаты работы были опубликованы в журнале Science Advances.

Перенос генов биолюминесценции грибов в другие организмы сопряжен с рядом проблем, среди которых ключевой является размер используемых генетических конструкций. Ген гиспидинсинтазы грибов (nnHispS) превышает 5 т.п.н., а для активации фермента требуется экспрессия дополнительного фермента NpgA из Aspergillus nidulans, осуществляющего посттрансляционную модификацию гиспидинсинтазы — фосфопантетеинилирование. Генетическая конструкция, несущая гены nnHispS и NpgA, превышает максимальный размер трансгена, который может быть перенесён РНК- или гемини-вирусами (вместимость около 4 т.п.н.), используемыми для экспрессии в растениях, или адено-ассоциированными вирусами (вместимость около 4,7 т.п.н.) — в животных. В работе учёными была проведена компактизация системы за счёт поиска аналогов nnHispS.

В настоящей работе авторами путем анализа хроматографических и транскриптомных данных были найдены поликетидсинтазы III типа растений — компактные ферменты, которые могут осуществлять биосинтез гиспидина. Эти ферменты обладают значительно меньшим размером по сравнению с nnHispS и не требуют посттрансляционных модификаций. С их помощью команда исследователей успешно воссоздала путь биолюминесценции грибов в гетерологических системах дрожжей, млекопитающих и растений. Разработка новой гибридной системы позволила преодолеть недостатки доставки предыдущих версий генетических конструкций с помощью вирусных векторов.

Учёные пытались понять, метаболизм каких интермедиатов может лимитировать интенсивность люминесценции. В частности, активация экспрессии генов фенилпропаноидного пути, ассоциированных с биосинтезом гиспидина, а также непосредственное экзогенное введение интермедиатов этого пути — кофейной и кумаровых кислот — не увеличивали люминесценцию. Введение гиспидина или сверхэкспрессия гиспидинсинтазы PpASCL, напротив, приводили к росту сигнала, что указывает на важную роль метаболизма гиспидина для биолюминесценции.

Оптимизация размера биолюминесцентной системы расширяет возможности доставки в различные гетерологические системы. В свою очередь, это может способствовать применению автономной люминесценции в различных целях: от мониторинга окружающей среды до неинвазивной оценки физиологических событий на уровне организма.

Текст: А.С. Григоров.
Источник: ИБХ РАН.