Прорыв в редактировании генома: ученые научились встраивать целые гены без разрывов ДНК

Исследователи под руководством Бина Лю, доцента кафедры биологической химии и фармакологии Медицинского колледжа Университета Огайо, совместно с коллегами из Медицинской школы при Массачусетском университете обнаружили и усовершенствовали метод генного редактирования, позволяющий встраивать в геном млекопитающих большие сегменты ДНК длиной до 11 000 пар оснований. Это значительно превосходит предыдущий предел в 800 пар оснований, достижимый другими подходами. Результаты их работы, описывающие новый подход под названием «прайм-сборка» (prime assembly), были опубликованы в научном журнале Nature.

Новая технология представляет собой эволюционное развитие известного метода прайм-редактирования. Ключевая инновация заключается в том, что ученые нашли способ избежать главного узкого места в генной терапии — двуцепочечного разрыва донорской ДНК. Такие разрывы часто приводят к токсичности и даже гибели клеток, что серьезно ограничивало применение предыдущих методов.

Вместо этого исследователи предложили использовать серию перекрывающихся «заслонок» на целевой ДНК. Эти программируемые заслонки, созданные с помощью метода двойного прайм-редактирования, дополняют концы донорской ДНК и позволяют встроить новый генетический материал, вызывая лишь одноцепочечный разрыв, который клетки переносят гораздо легче.

Бин Лю проводит красноречивую аналогию, сравнивая геном с книгой. Если традиционные методы редактирования позволяли исправлять лишь отдельные ошибки или буквы, то технология прайм-сборки дает возможность удалить целый абзац и заменить его новым или даже переписать целую главу. Это концептуальное различие имеет огромное практическое значение, поскольку многие наследственные заболевания вызваны не одной, а сотнями различных мутаций в одном и том же гене.

Разработка индивидуальной терапии для каждой такой мутации потребовала бы сотен отдельных процедур. Новая технология позволяет за один раз вставлять здоровую копию целого гена, эффективно исправляя любые, даже самые гетерогенные мутации в его пределах. По словам ученых, это открывает путь к созданию универсальной платформы генной терапии, где здоровая копия гена доставляется непосредственно в организм пациента вне зависимости от того, какая именно мутация у него имеется.

Важным преимуществом метода прайм-сборки является отказ от механизма гомологически направленной репарации. Этот механизм, лежащий в основе многих старых методов редактирования, активен только в делящихся клетках, что делало терапию невозможной для неделящихся клеток, таких как нейроны или кардиомиоциты. Новая технология, напротив, работает и в таких клетках, а также позволяет использовать как одноцепочечные, так и двухцепочечные донорские ДНК, что значительно расширяет спектр ее потенциального применения.

В ходе экспериментов на культурах клеток млекопитающих команда успешно встроила сегмент ДНК размером 11 000 пар оснований, стремясь изучить верхний предел возможностей своей разработки. Само название метода — «прайм-сборка», является отсылкой к широко распространенному лабораторному методу клонирования «сборка Гибсона», когда фрагменты ДНК соединяют в пробирке, но теперь этот процесс происходит внутри генома живой клетки.

Разработанный метод прайм-сборки позволяет безопасно и эффективно встраивать в геном крупные фрагменты ДНК, избегая токсичных двуцепочечных разрывов. Эта технология способна заменить целые гены, открывая путь к универсальной генной терапии, пригодной для лечения заболеваний с множеством различных мутаций, включая патологии неделящихся клеток, таких как нейроны и клетки сердца. Хотя для определения оптимальных способов доставки в организм и тестирования эффективности на живых моделях еще потребуются дальнейшие исследования, полученные результаты знаменуют собой значительный прорыв в области генной инженерии.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях