Перспективы редактирования генома для понимания заболеваний человека и создания новых методов лечения огромны, но технологические ограничения сдерживали развитие этой области. Существующие технологии редактирования могут изменять или удалять отдельные пары оснований в 3 миллиардах пар оснований генома человека, но они ограничены в способности воздействовать на несколько участков одновременно и иногда могут неправильно изменять соседние участки ДНК.
Однако новое исследование Йельского университета втрое увеличивает способность учёных редактировать несколько участков ДНК и помогает предотвратить нежелательные мутации в близлежащих генетических участках. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
«Мы смогли увеличить количество правок в одной клетке, одновременно повысив точность этих правок», — сказал Фаррен Айзекс, профессор молекулярной, клеточной и эволюционной биологии на факультете искусств и наук Йельского университета и старший автор исследования. Айзекс также связан с Институтом системной биологии в Йеле на Западном кампусе и кафедрой биомедицинской инженерии в Йельской школе инженерии и прикладных наук.
Прогресс в геномной инженерии
Прогресс в геномной инженерии позволил исследователям более эффективно модифицировать отдельные генетические последовательности, что помогает улучшить понимание их биологических ролей. Однако большинство заболеваний человека, включая рак, возникают из-за множественных генетических мутаций.
«Многие фенотипы возникают из-за множественных генетических мутаций, но большинство методов редактирования генов были сосредоточены на одном участке, что ограничивало технологические достижения в этой области», — сказала первый автор Аннабель Швейцер, студентка Йельской школы искусств и наук и член лаборатории Айзекса.
Редактирование генома человека исторически позволяло точно изменять отдельные пары оснований путём вырезания или вставки новых последовательностей в одном месте вдоль цепи ДНК. Однако традиционные технологии редактирования генов, такие как CRISPR Cas9, были ограничены образованием двунитевых разрывов в ДНК, которые вносили нежелательные модификации в геном.
Разработка базовых редакторов позволила осуществлять прямую химическую модификацию целевых нуклеотидов ДНК, позволяя исследователям избегать двунитевых разрывов ДНК. Однако технология базового редактирования была ограничена количеством и точностью одиночных базовых правок, которые можно было достичь.
Если представить ДНК как огромную рукопись объёмом в 3 миллиарда символов, то новая инженерная технология, по сути, позволяет исследователям вносить множественные изменения в разных главах одновременно, а не только редактировать отдельные слова или предложения на одной странице. Однако улучшения в геномной инженерии также имеют недостатки. Иногда правки вносятся в непреднамеренные места, что затрудняет оценку последствий изменений.
Для нового исследования команда Йельского университета использовала ассоциированный с CRISPR белок Cas12, который похож на Cas9, белок, который может действовать как своего рода «молекулярные ножницы», которые могут точно разрезать или модифицировать участки ДНК, и так называемые направляющие РНК (gRNAs). В сочетании с ферментом Cas9 и Cas12 могут вносить целенаправленные химические изменения в ДНК в местах, определённых последовательностью gRNA.
Команда выбрала Cas12 из-за его врождённой способности обрабатывать массив РНК, содержащий множество gRNAs. Чтобы повысить точность редактирования, команда сконструировала gRNAs, укоротив последовательность gRNA или модифицировав основания РНК. Затем они использовали новую систему для успешного изменения последовательностей генов с большей точностью в 15 различных участках клеток человека — в три раза больше мест, чем было модифицировано ранее.
Улучшение поможет не только в оценке причин сложных генетических заболеваний, таких как рак, но и в разработке новых дизайнерских лекарств, основанных на синтетических геномах, разработанных в лаборатории Айзекса.
«Преодоление этих ключевых препятствий технологий редактирования генома млекопитающих будет иметь решающее значение для их использования при изучении заболеваний, связанных с однонуклеотидными вариантами, и разработке синтетических геномов млекопитающих», — говорят авторы.
Предоставлено Йельским университетом.