Революция в технологии CRISPR: точное воздействие на любой ген с помощью нового фермента

Новый метод, разработанный инженерами Университета Дьюка, расширил возможности исходной технологии редактирования генов CRISPR: геном человека ранее был доступен для воздействия лишь на 12,5%, а теперь можно получить доступ почти к любому гену, что позволяет нацеливаться на более широкий спектр заболеваний и лечить их.

В исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, также участвовали сотрудники Гарвардского университета, Массачусетского технологического института, Медицинской школы Массачусетского университета, Цюрихского университета и Университета Макмастера.

Pranam Chatterjee, доцент кафедры биомедицинской инженерии Университета Дьюка, сказал: «С помощью нового инструмента мы можем воздействовать почти на 100% генома с гораздо большей точностью».

Вспомним систему CRISPR-Cas

CRISPR-Cas позволяет бактериям использовать молекулы РНК и связанные с CRISPR белки Cas, чтобы распознавать и уничтожать ДНК вторгающихся вирусов. Это бактериальная иммунная система. Со времени открытия этой технологии редактирования генов исследователи стремятся разработать новые системы CRISPR для генной терапии и геномной инженерии.

Благодаря уже достигнутым результатам и потенциалу изменить будущее технология CRISPR была отмечена Нобелевской премией по химии 2020 года.

Команда изучила потенциальное терапевтическое применение нового инструмента при генетических заболеваниях, недоступных для стандартной системы CRISPR. Первые испытания провели на синдроме Ретта — прогрессирующем неврологическом заболевании, которое встречается преимущественно у молодых женщин и вызывается одной из восьми различных мутаций определённого гена.

Во втором испытании изучали болезнь Гентингтона — редкое наследственное неврологическое заболевание, вызывающее дегенерацию нейронов головного мозга. Используя новую технологию, команда изменила ранее недоступные мутации и открыла потенциальные возможности лечения обоих заболеваний.

Как работают классический CRISPR и новый фермент?

При редактировании генома белки Cas используют два важных компонента. Первый — молекула РНК, направляющая фермент к определённой последовательности ДНК. Второй — короткая последовательность ДНК сразу после целевого участка, необходимая для связывания белка Cas и называемая protospacer adjacent motif (PAM). Эти компоненты обеспечивают точное и эффективное направление белков Cas к целевой последовательности ДНК.

Когда направляющая РНК распознаёт комплементарную целевую последовательность ДНК, а фермент Cas связывается с соседним участком PAM, он делает разрез в ДНК. Этот разрез позволяет запустить желаемые генетические изменения. Самая распространённая система CRISPR-Cas — Cas9 бактерии Streptococcus pyogenes (SpCas9), которой необходимы два последовательных гуаниновых основания (GG).

В предыдущих работах Chatterjee и его команда с помощью биоинформатических инструментов обнаружили и сконструировали новые белки Cas9, включая Sc++, которому для разреза требуется PAM лишь с одним гуаниновым основанием. Это изменение позволило исследователям редактировать около 50% всех последовательностей ДНК.

В то же время сотрудники Chatterjee в Гарварде под руководством Benjamin Kleinstiver, доцента Гарвардской медицинской школы, разработали отдельный вариант — SpRY. Хотя SpRY мог связываться с любым из четырёх оснований ДНК, образующих PAM, он гораздо сильнее предпочитал аденин и гуанин.

Поскольку обе системы имели недостатки, группа решила объединить их лучшие свойства в новом варианте — SpRyc.

Хотя SpRYc разрезает целевые последовательности ДНК медленнее своих предшественников, он способен эффективнее редактировать определённые участки ДНК по сравнению с традиционными ферментами.

Выводы и комментарий

SpRYc открывает новую эпоху редактирования генов. Потенциал этого инновационного фермента важен не только для лабораторных исследований, но и для переноса технологии в клиническую практику. Повышенная эффективность и высокая точность SpRYc могут сыграть решающую роль в будущем генной терапии. Достижения в этой области открывают новые горизонты лечения генетических заболеваний, а раскрытие полного потенциала SpRYc обещает стать увлекательным научным путешествием.