合成遺伝子発振器を使用して酵母細胞の寿命延長記録を樹立

クレジット: Unsplash の Rod Long による写真

カリフォルニア大学サンディエゴ校（UCSD）の科学者チームは、酵母の細胞老化を制御する回路を遺伝的に再配線した。 トグルスイッチのように機能する通常の役割から、細胞の老化プロセスを遅らせる負のフィードバックループを設計しました。 再配線された回路は、遺伝子発振器と呼ばれる時計のような装置として動作し、細胞を2つの有害な「老化」状態の間で周期的に切り替えるよう駆動し、どちらか一方への長期にわたるコミットメントを回避し、それによって細胞の変性を遅らせる。 彼らのアプローチは細胞の寿命を劇的に延長し、遺伝的および化学的介入による寿命延長の新記録を打ち立てました。

この発見は、合成生物学を使用して細胞の老化プロセスを再プログラムする概念実証の例を示しています。 根底にある老化経路が保存されていることを考えると、この発見により、いつか、より複雑な生物の長寿を促進する合成遺伝子回路の設計が可能になるかもしれない。

「長寿を効果​​的に促進するために、遺伝子回路を合理的に再設計し、老化プロセスを再プログラムするために、コンピューターに導かれた合成生物学と工学原理が初めて使用されました」と生物科学部分子生物学科のナン・ハオ博士は述べた。カリフォルニア大学サンディエゴ校合成生物学研究所の共同所長。

ハオ氏は、同グループがScience誌に発表した「工学的長寿―細胞老化を遅らせる合成遺伝子振動子の設計」と題する研究の上級著者であり、その中で研究者らは「我々の結果は、遺伝子ネットワーク構造と細胞寿命との関係を確立し、これが細胞老化につながる可能性があることを証明した」と結論付けた。老化を遅らせる合理的に設計された遺伝子回路。」

人間の寿命は個々の細胞の老化に関連しており、細胞の老化は基本的かつ複雑な生物学的プロセスであり、多くの病気の根本的な原因となります。 酵母、植物、動物、人間の細胞を含むすべての細胞には、老化を含む多くの生理学的機能を担う遺伝子調節回路が含まれています。 「これらの遺伝子回路は、家電や自動車などの機器を制御する家庭用電気回路と同じように動作することができます」とハオ氏は述べた。

しかし、カリフォルニア大学サンディエゴ校のグループは、中心的な遺伝子調節回路の制御下では、細胞は必ずしも同じように老化するとは限らないことを以前に発見していた。 数年前、研究チームは細胞老化の背後にあるメカニズムの研究を開始しました。 彼らは、Saccharomyces cerevisiae酵母をヒト細胞老化のモデルとして使用し、細胞が最終的に変性して死に至るまで、その生涯を通して分子変化のカスケードをたどることを発見しました。 しかし科学者たちは、同じ遺伝物質を持ち、同じ環境内にある細胞は、異なる老化ルートに沿って移動する可能性があることに気づきました。 細胞の約半数は、遺伝情報が保存されている DNA の安定性が徐々に低下することで老化します。 残りの半分は、細胞のエネルギー生産単位であるミトコンドリアの減少に関連した経路に沿って老化します。

研究者らは、老化中に細胞がたどる2つの異なる方向を特定した後、これらのプロセスを遺伝子操作して細胞の寿命を延長した。 新しく報告された研究では、研究チームは合成生物学を使用して研究を拡張し、細胞が老化に伴う通常の劣化レベルに達するのを防ぐ合成遺伝子振動子を設計しました。

エンジンが劣化するかトランスミッションが磨耗することで、両方が同時に起こるわけではなく、車が老化することを想像してください。 カリフォルニア大学サンディエゴ校のチームは、ある老化メカニズムから別の老化メカニズムへと劣化を繰り返すことで細胞の寿命を延ばす「スマート老化プロセス」を構想しました。

電気技術者がよく行うように、研究者らはまず、コアの老朽化した回路がどのように動作するかについてコンピューターシミュレーションを使用しました。 これは、セル内の回路を構築または変更する前に、アイデアを設計およびテストするのに役立ちました。 このアプローチには、従来の遺伝的戦略と比較して、効果的な長寿戦略を特定するための時間とリソースを節約できるという利点があります。