Компактные «ножницы для генов» обеспечивают лучшее редактирование генома
Системы CRISPR-Cas, состоящие из белковых и РНК-компонентов, изначально разрабатывались как естественный защитный механизм бактерий для защиты от вторгающихся вирусов. За последнее десятилетие реинжиниринг этих так называемых «генных ножниц» произвел революцию в генной инженерии в науке и медицине.
Инструменты могут быть запрограммированы на поиск определенного места в нашей ДНК и точное редактирование генетической информации. Например, вызывающая заболевание мутация в ДНК может быть возвращена к ее здоровому состоянию.
Гораздо меньший инструмент для редактирования генома
Недавно было обнаружено, что белки Cas эволюционировали из гораздо более мелких белков, причем TnpB является предшественником Cas12. Поскольку большой размер белков Cas создает проблемы при попытке доставить их в нужные клетки организма, в недавних исследованиях была предпринята попытка использовать их меньших эволюционных предшественников в качестве инструмента редактирования генома.
Проблема с этими небольшими альтернативами заключается в том, что они функционируют менее эффективно. Это препятствие в настоящее время преодолено исследовательской группой во главе с Джеральдом Шванком из Института фармакологии и токсикологии Цюрихского университета (UZH) совместно с коллегами из ETH Zurich.
«Разработав небольшой, но мощный белок TnpB, мы смогли создать вариант, который демонстрирует 4,4-кратное увеличение эффективности модификации ДНК, что делает его более эффективным в качестве инструмента редактирования генов», — говорит Джеральд Шванк.
Белки TnpB обнаружены у различных бактерий и архей. TnpB, изученный исследователями, происходит из бактерии Deinococcus radiodurans. Этот микроб переживает холод, обезвоживание, вакуум и кислоту и является одним из самых устойчивых к радиации организмов, известных человеку.
Ранее было показано, что компактный белок TnpB работает для редактирования генома в клетках человека, хотя и с низкой эффективностью и ограниченной способностью к нацеливанию из-за его требований к распознаванию при связывании ДНК.
Лучшая способность связывания и более широкий диапазон последовательностей мишеней ДНК
Поэтому исследователи оптимизировали TnpB таким образом, чтобы он редактировал ДНК клеток млекопитающих более эффективно, чем исходный белок.
«Хитрость заключалась в том, чтобы модифицировать инструмент двумя способами: во-первых, чтобы он более эффективно направлялся к ядру, где находится геномная ДНК, и, во-вторых, чтобы он также нацеливался на альтернативные последовательности генома», — говорит Ким Маркварт, автор исследования.
Чтобы определить, какие особенности в последовательностях ДНК определяют эффективность редактирования генома, исследователи протестировали TnpB на 10 211 различных целей. В сотрудничестве с командой Майкла Краутхаммера, также профессора UZH, они разработали новую модель искусственного интеллекта, способную предсказывать эффективность редактирования TnpB на любом целевом объекте.
«Наша модель может предсказать, насколько хорошо TnpB будет работать в различных сценариях, что упрощает и ускоряет разработку успешных экспериментов по редактированию генов. Используя эти прогнозы, мы достигли эффективности до 75,3% в печени мышей и 65,9% в мозге мышей», — добавляет Маркварт.
Терапия генетических дефектов при высоком уровне холестерина с помощью редактирования генов
«Для экспериментов на животных мы смогли использовать клинически жизнеспособные аденоассоциированные вирусные векторы для эффективной транспортировки инструментов в клетки мыши. Благодаря своему небольшому размеру система редактирования генов TnpB может быть упакована в одну вирусную частицу», — говорит Ким Маркварт.
В отличие от этого, компоненты CRISPR-Cas9 должны быть упакованы в несколько вирусных частиц, что означает, что необходимо применять более высокие векторные дозы.
В текущем проекте исследователи изучили, можно ли использовать инструмент TnpB для лечения пациентов с семейной гиперхолестеринемией. Это генетическое заболевание приводит к пожизненному высокому уровню холестерина, от которого страдают примерно 31 миллион человек во всем мире.
Заболевание повышает риск развития атеросклеротического сердечно-сосудистого заболевания с ранним началом. «Мы смогли отредактировать ген, который регулирует уровень холестерина, тем самым снизив уровень холестерина у обработанных мышей почти на 80%. Цель состоит в том, чтобы разработать аналогичные стратегии редактирования генов у людей для лечения пациентов, страдающих гиперхолестеринемией», — говорит Джеральд Шванк.
Исследование было опубликовано в журнале Nature Methods.