Исследователи разработали новую технику редактирования генов, которая может полностью перестроить геном

Исследователи разработали новую технологию редактирования генов, которая может полностью реорганизовать геном. Это называется «редактированием мостов», и с его помощью можно добиться больших изменений, чем технология CRISPR, в частности, вставляя новые последовательности ДНК непосредственно в геном. Это обеспечивает уровень точности, недостижимый при современных технологиях редактирования.

Системы управления РНК произвели революцию в нашем понимании генома. Одной из таких систем является метод редактирования генов CRISPR, который работает как молекулярные ножницы, управляемые направляющей РНК (гРНК). Помимо прочего, технология позволяет вырезать и изменять определенные генетические последовательности, тем самым настраивая гРНК.

Весь процесс индуцируется белками CRISPR Cas. Термин Cas относится к нуклеазам, которые связываются с короткими РНК CRISPR (crRNA), нацеленными на соответствующие последовательности ДНК или РНК. Эндонуклеазы Cas9 и Cas12 расщепляют ДНК, а Cas13 — РНК. Когда молекулярные инструменты разрезают целевую последовательность, клетка систематически инициирует процесс восстановления. Лизис происходит неоднократно, пока в клетке естественным образом не разовьются мутации, вызывающие ошибки восстановления.

Однако, хотя метод CRISPR может вызывать мутации в определенных местах, его уровень точности относительно ограничен. Он деактивирует целевую последовательность, вырезая и уничтожая ее, что делает его скорее деструктивным, чем методом редактирования.

Для решения этой проблемы были предложены улучшенные версии CRISPR, которые позволяют напрямую модифицировать целевые последовательности, а не полагаться на циклы репарации мутаций. Некоторые из них позволяют модифицировать нуклеотидные основания, минуя процесс расщепления, а другие конвертируют гРНК в ДНК и встраивают ее в целевую последовательность. Однако точность здесь все еще ограничена.

Команда из Института Арк, Калифорнийского университета в Беркли, Стэнфордского университета и Токио предложила новый метод программируемого редактирования, который позволяет интегрировать новые последовательности ДНК в ДНК с помощью «мостиков РНК» — нового класса направляющих РНК, встраиваемых непосредственно в геном. Это значительно повысит точность редактирования генов одиночных вставочных последовательностей.

«Система мостиков РНК — это совершенно новый механизм проектирования генома», — объясняет ведущий исследователь исследования Патрик Сюй, профессор биоинженерии в Калифорнийском университете в Беркли. «Мостовая рекомбинация обычно может изменять генетический материал посредством вставки, вырезания, инверсии специфической последовательности и т д., тем самым редактируя живые геномы более эффективно, чем CRISPR".

"РНК-мост": универсальный адаптер, способный воздействовать на любую часть генома

Новая система молекулярного редактирования, обнаруженная у бактерий и архей, основана на вставочной последовательности 110 (IS110).

Обратите внимание: В течение четырех лет британская компания Vertical Aerospace хочет ввести в эксплуатацию летные такси с дальностью полета до 800 км.

Это одна из большой группы мобильных последовательностей (или «прыгающих генов»), которые разрезают себя, перемещаются по геному, а затем вставляются между двумя определенными цепями.

Эти короткие последовательности присутствуют в клетках всех организмов и превратились в настоящие инструменты для манипулирования ДНК. В частности, IS110 состоит из гена, кодирующего рекомбиназу, отвечающую за генетическую рекомбинацию. Это процесс, который вызывает изменения в физической связи между двумя сегментами ДНК.

Новое исследование опубликовано в журнале природа, изучили молекулярную структуру рекомбиназного комплекса РНК-мостика с помощью криоэлектронной микроскопии. Они шаг за шагом переходят от процесса расщепления IS110 к стадии рекомбинации.

Они обнаружили, что когда IS110 вырезают из генома, некодирующие концы цепей ДНК соединяются, образуя два моста РНК. Одна из петель связывается с IS110, а другая — с целевой цепью, куда будет вставлена ​​новая последовательность, что делает РНК-мостик первым примером гРНК с двойной специфичностью. Затем рекомбиназа индуцирует процесс вставки.

Кроме того, каждый РНК-мостик программируется, поэтому можно комбинировать любую последовательность целевой и донорской ДНК. Другими словами, этот инструмент позволяет вставлять любую последовательность ДНК в любое целевое местоположение генома. «Эти программируемые РНК-мостики отличают IS110 от других известных рекомбиназ, которые не содержат компонентов РНК и не могут быть запрограммированы», — объясняет соавтор исследования Никола Перри, сотрудник Arc Institute и Калифорнийского университета в Сан-Франциско. В качестве аналогии: «Мост РНК действует как универсальный адаптер питания, что делает IS110 совместимым с любой розеткой», — отмечает он.

Точность более 94 %

Этот механизм обеспечивает новой системе уровень точности, которого никогда не достигала технология CRISPR. В тестах на E coli команда продемонстрировала, что эффективность вставки определенных генов составляет более 60%, а возможность вставки в правильное место — более 94 %.

Более того, этот метод позволяет двум нитям ДНК рекомбинировать без высвобождения ранее расщепленных концов. Эти так называемые «рубцовые» последовательности являются существенным ограничением используемых в настоящее время методов редактирования генов.

Однако стоит отметить, что метод пока протестирован только на бактериях, а его эффективность на других типах клеток, включая клетки человека, не доказана. Однако в конечном итоге это может проложить путь к новым методам генной терапии. Эксперты говорят, что будущие исследования будут сосредоточены на применении этого инструмента к клеткам человека, повышении его точности и эффективности, а также изучении потенциальных дополнительных функций.

Видео, объясняющее исследование:

Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.

Источник статьи: Исследователи разработали новую технику редактирования генов, которая может полностью перестроить геном.