Учёные из Института исследований мозга Макговерна Массачусетского технологического института (MIT) и Института Броуд MIT и Гарварда создали новый эффективный и программируемый редактор человеческой ДНК на основе компактного РНК-управляемого фермента, обнаруженного у бактерий.
Как работает NovaIscB
Созданный белок, названный NovaIscB, может быть адаптирован для внесения точных изменений в генетический код, модуляции активности определённых генов или выполнения других задач по редактированию. Благодаря своему небольшому размеру, NovaIscB упрощает доставку в клетки, что делает его перспективным кандидатом для разработки генной терапии для лечения или профилактики заболеваний.
Открытие и разработка
Исследование было проведено под руководством Фэна Чжана, профессора неврологии Джеймса и Патриции Пуитрас в MIT, исследователя Института Макговерна и Медицинского института Говарда Хьюза, а также основного члена Института Броуд. Чжан и его команда опубликовали свои работы в открытом доступе в журнале Nature Biotechnology.NovaIscB получен из бактериального фермента, разрезающего ДНК, который принадлежит к семейству белков IscB, открытых лабораторией Чжана в 2021 году. IscB — это тип системы OMEGA, эволюционные предки Cas9, входящей в бактериальную систему CRISPR, которую Чжан и другие превратили в мощные инструменты для редактирования генома. Как и Cas9, ферменты IscB разрезают ДНК в местах, указанных РНК-проводником. Перепрограммируя этот проводник, исследователи могут перенаправить ферменты на целевые последовательности по своему выбору.
Преимущества NovaIscB
IscB привлекли внимание команды не только потому, что они имеют ключевые особенности Cas9 из CRISPR, разрезающего ДНК, но и потому, что они составляют треть его размера. Это преимущество для потенциальных генных терапий: компактные инструменты легче доставить в клетки, и с небольшим ферментом у исследователей будет больше гибкости для внесения изменений, потенциально добавляя новые функции без создания слишком громоздких инструментов для клинического использования.Исследователи в лаборатории Чжана знали, что некоторые представители семейства IscB могут разрезать ДНК в клетках человека. Однако ни один из бактериальных белков не работал достаточно хорошо для терапевтического применения: команде пришлось модифицировать IscB, чтобы обеспечить эффективное редактирование мишеней в клетках человека без нарушения остальной части генома.
Процесс разработки
Для начала процесса инженерии Соумья Каннан, аспирант из лаборатории Чжана, который сейчас является младшим научным сотрудником Гарвардского общества стипендиатов, и постдок Шию Чжу сначала искали IscB, который послужил бы хорошей отправной точкой. Они протестировали около 400 различных ферментов IscB, встречающихся у бактерий. Десять из них были способны редактировать ДНК в клетках человека.Даже наиболее активному из них требовалось усиление, чтобы сделать его полезным инструментом для редактирования генома. Задача заключалась в повышении активности фермента только в указанных его РНК-проводником последовательностях. Если бы фермент стал более активным, но без разбора, он разрезал бы ДНК в непреднамеренных местах. «Ключевой момент — это одновременное улучшение активности и специфичности», — объясняет Чжу.Команда продемонстрировала, что NovaIscB является хорошей основой для различных инструментов редактирования генома. «Он биохимически функционирует очень похоже на Cas9, и это упрощает перенос инструментов, которые уже были оптимизированы с использованием каркаса Cas9», — говорит Каннан. С помощью различных модификаций исследователи использовали NovaIscB для замены определённых букв в коде ДНК в клетках человека и изменения активности целевых генов.Важно отметить, что инструменты на основе NovaIscB достаточно компактны, чтобы их можно было легко поместить в один аденоассоциированный вирус (AAV) — вектор, наиболее часто используемый для безопасной доставки генной терапии пациентам. Инструменты, разработанные с использованием Cas9, из-за своей громоздкости могут потребовать более сложной стратегии доставки.
Потенциальное терапевтическое применение
Продемонстрировав потенциал NovaIscB для терапевтического использования, команда Чжана создала инструмент под названием OMEGAoff, который добавляет химические маркеры к ДНК, снижая активность определённых генов. Они запрограммировали OMEGAoff на подавление гена, участвующего в регуляции холестерина, затем использовали AAV для доставки системы в печень мышей, что привело к стойкому снижению уровня холестерина в крови животных.Команда ожидает, что NovaIscB можно будет использовать для нацеливания инструментов редактирования генома на большинство генов человека, и надеется увидеть, как другие лаборатории будут использовать новую технологию. Они также надеются, что другие примут их подход к рациональному проектированию белков, основанный на эволюции. «Природа обладает таким разнообразием, и её системы имеют разные преимущества и недостатки, — говорит Чжу. — Узнавая об этом естественном разнообразии, мы можем делать системы, которые пытаемся разработать, всё лучше и лучше».
Финансирование исследования
Это исследование было частично финансировано Центром молекулярной терапии имени К. Лизы Янг и Хока Э. Тана в MIT, дарителями Программы программируемой терапии Института Броуд, Фондом Першинга, Уильямом Акманом, Нери Оксман, семьёй Филлипсов и Джеймсом и Патрицией Пуитрас.