Редактирование больших отрезков ДНК
Редактирование генов для разработки новых методов лечения, изучения болезней, а также нормального функционирования человека и животных может развиваться быстрее благодаря новому инструменту для вырезания из генома клетки крупных фрагментов ДНК. Таковы результаты нового исследования, проведенного на базе Калифорнийского университета в Сан-Франциско.
Сегодня CRISPR используется в качестве исследовательского инструмента в лабораториях по всему миру, а появился он в процессе эволюции в бактериях как средство борьбы с их древним врагом – вирусами-бактериофагами. Когда бактерия сталкивается с фагом, она позволяет вирусной ДНК внедриться в свою собственную ДНК, которая затем служит шаблоном для создания РНК, которая, в свою очередь, связывается с соответствующей вирусной ДНК в самом фаге. Затем ферменты CRISPR нацеливаются на этот участок вирусной ДНК, отключают его и убивают фаг.
В своей последней работе по изучению такой древней гонки вооружений Джозеф Бонди-Деноми, доцент кафедры микробиологии и иммунологии Калифорнийского университета, вместе с коллегами Балинтом Чёргё и Линой Леон, разработали и протестировали новый инструмент CRISPR.
Уже известный инструмент CRISPR-Cas9 похож на молекулярные ножницы, которые можно использовать для быстрого и точного вырезания небольшого фрагмента ДНК на целевом участке. Затем можно использовать разные методы для вставки другого гена. Но новая система CRISPR-Cas3, адаптированная группой Бонди-Деноми, основана на ином механизме бактериальной системы защиты. Главный фермент в этой системе, Cas3, больше похож на молекулярный шредер, быстро и точно удаляющий гораздо более длинные участки ДНК. Другими словами, Cas3 намного мощнее, чем Cas9: после обнаружения ДНК-мишени он внедряется в цепь и просто «пережевывает» ее.
Возможность разово удалять или заменять длинные участки ДНК позволит исследователям более эффективно оценивать роль участков генома, которые содержат последовательности ДНК с пока неопределенной функцией, что является важным фактором для понимания человека и патогенов, которые его окружают.
Вместо того, чтобы делать 100 различных малых делеций ДНК, теперь можно просто сделать одну делецию и увидеть, что изменилось.
Поскольку бактерии и другие типы клеток обычно используются для производства малых молекул или фармацевтических белковых препаратов, CRISPR-Cas3 позволит ученым биотехнологической отрасли быстро и легко удалять потенциально патогенную или бесполезную ДНК из этих клеток. CRISPR-Cas3 также позволит встраивать целые гены в геном для промышленных, сельскохозяйственных целей или даже для генной терапии людей.
Исследователи выбрали и модифицировали систему CRISPR-Cas3, используемую бактерией Pseudomonas aeruginosa, и продемонстрировали у этого вида и у трех других, включая бактерии, вызывающие болезни у людей и растений, что их более компактная версия успешно удаляет целевой участок ДНК.
Когда Cas3 связывается со своей ДНК-мишенью, он удаляет гены в одной цепи в двух направлениях, оставляя другую цепь ДНК свободной. Делеции, полученные в экспериментах исследователей, различались по размеру, во многих случаях включая до 100 бактериальных генов. Они заметили, что механизм CRISPR-Cas3 также может упростить замену удаленной части ДНК на новую последовательность.
В своем исследовании группа, манипулируя последовательностями ДНК, внедренными в бактерии для восстановления делеций, смогла точно установить границы этих крупных участков для восстановления, чего не получалось добиться с помощью CRISPR-Cas9.
Ученые также обнаружили стратегии анти-CRISPR, которые выработали бактериофаги для борьбы с бактериями, и они могут оказаться полезными для прекращения процесса редактирования генов у человека до появления нежелательных побочных эффектов или при использовании бактериофагов для удаления нежелательных бактерий.
Статья B.Csörgő et al. A compact Cascade–Cas3 system for targeted genome engineering опубликована в журнале Nature Methods.
Аминат Аджиева, портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам UCSF: CRISPR Meets Pac-Man: New DNA Cut-and-Paste Tool Enables Bigger Gene Edits.