Клей вместо ножниц
Группа исследователей из Колумбийского университета нашла способ исправить один из основных недостатков современных инструментов редактирования генов, включая CRISPR, и предложила новый подход к генной инженерии и генной терапии.
Описанная в исследовании новая технология INTEGRATE использует транспозоны («прыгающие гены») бактерий для создания любой последовательности ДНК без необходимости разрезать ее цепь. Современные инструменты редактирования генов представляют собой ДНК-ножницы, но разрезание цепи и ее дальнейшее сшивание часто приводит к ошибкам. Новая технология INTEGRATE больше похожа на молекулярный клей: вместо того чтобы нарушать целостность цепи и затем восстанавливать её, INTEGRATE непосредственно вводит заранее созданную ДНК в геном.
Существующие инструменты капризны
Представленный в исследовании способ редактирование генома клетки похож на использование текстового редактора для форматирования огромного документа, но это программное обеспечение имеет собственный интеллект. Как правило, исследователи хотят внести небольшое изменение в одну определенную последовательность азотистых оснований, оставив остальную часть генома нетронутой. В настоящее время для этого используется инструмент CRISPR-Cas, он пересекает обе цепи ДНК в определенном участке и вставляет туда требуемую последовательность. Для наглядности процесс можно сравнить с добавлением целого абзаца к блоку текста в текстовом редакторе.
Главный недостаток метода кроется в процессе сшивания цепи – клетка делает это своими силами. Зачастую клетки восстанавливают молекулу ДНК неправильно или с ошибками, некоторые клетки и вовсе не могут обеспечить ремонт ДНК. Кроме того, поломка ДНК вызывает реакцию на повреждение, оказывающую нежелательные отрицательные эффекты.
Перечисленные недостатки делают редактирование генов трудным или невозможным в некоторых типах клеток и строго ограничивают возможности исследователей вносить точные и безопасные изменения в геном.
INTEGRATE использует «прыгающие гены»
Данное исследование призвано разрешить проблемы существующей системы редактирования ДНК и использует ослабленные бактерии холерного вибриона, чтобы обойтись без помощи самой клетки.
Чтобы найти новый инструмент для редактирования генов, Сэм Штернберг и его аспиранты пристально изучили транспозоны, или «прыгающие гены», обнаруженные в холерном вибрионе. Этот транспозон был внедрен в классическую систему CRISPR-Cas.
Исследователи обнаружили, что транспозон интегрируется в определенные участки в бактериальном геноме не путем разрезания ДНК на две части, а с помощью интегразы – фермента, используемого для внедрения транспозона в геном.
Это открытие было использовано для создания инструмента редактирования генома, который можно запрограммировать на введение любой последовательности ДНК в любой участок бактериального генома. Как и CRISPR, интеграза находит соответствующий отрезок с помощью направляющей РНК.
Путем репрограммирования направляющей РНК, ученые смогли точно контролировать локализацию интеграции донорской ДНК. Путем замены последовательности оснований транспозона на требуемую они смогли ввести в бактериальный геном отрезки ДНК длиной до 10 000 оснований. Таким образом, технология INTEGRATE, в отличие от других инструментов редактирования на основе интегразы, является первой полностью программируемой системой вставки ДНК, изученной на сегодняшний день.
Секвенирование отредактированного генома бактерий подтвердило, что полезные отрезки ДНК были вставлены точно, без дополнительных копий на нецелевых участках.
Обновленное редактирование генов
В системе INTEGRATE комплект ферментов может осуществлять весь процесс внедрения ДНК, точно вводя необходимую последовательность оснований в заданный участок генома клетки, без необходимости участия самой клетки в восстановлении цепи.
Технология INTEGRATE обеспечивает ту же степень программируемости и простоту использования, что и CRISPR-Cas9, но без побочных эффектов, связанных с разрывами ДНК.
Следующие шаги
Группа Штернберга планирует испытывать INTEGRATE не только в бактериальных клетках, но и во многих других, включая клетки млекопитающих.
Авторы утверждают, что есть веские основания ожидать такого же успеха системы INTEGRATE в клетках млекопитающих. Это откроет двери для фундаментальных исследований и возможного клинического применения.
Статья S. E. Klompe et al. Transposon-encoded CRISPR–Cas systems direct RNA-guided DNA integration опубликована в журнале Nature.
Аминат Аджиева, портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам Columbia University Irving Medical Center: New Gene Editor Harnesses Jumping Genes for Precise DNA Integration.