Технологии редактирования генома, такие как CRISPR-Cas9, изменили биологию, медицину и сельское хозяйство, но остаются опасения по поводу непредвиденных изменений в нецелевых участках ДНК. Эти нецелевые эффекты могут вызывать вредные мутации, и их трудно предсказать, поскольку они зависят не только от направляющей РНК, но и от уникального генетического состава организма. Большинство существующих инструментов прогнозирования основаны на стандартном эталонном геноме, игнорируя ключевые вариации, такие как SNP, вставки и делеции, которые различаются у разных людей и аллелей.
Решение проблемы
Исследователи под руководством профессора Джонгбина Парка из Пусанского национального университета разработали Variant-aware Cas-OFFinder — веб-инструмент, который улучшает прогнозирование нецелевых сайтов, учитывая индивидуальные генетические вариации.
Соавторы исследования Абиот Мелкаму Меконнен (аспирант) и Кан Сон (студент бакалавриата на момент проведения исследования, сейчас магистрант KAIST) сказали: «Очень приятно осознавать, что разработанная нами технология может оказать практическую помощь в коррекции отдельных генов».
Тестирование инструмента
Инструмент был протестирован на геноме человека и сортах перца. Результаты исследования были опубликованы онлайн 8 мая 2025 года в журнале Nucleic Acids Research.
Variant-aware Cas-OFFinder предлагает значительный шаг вперёд в персонализированном редактировании генома, поскольку учитывает генетическое разнообразие непосредственно при прогнозировании нецелевых эффектов.
Инструмент принимает фазированные одновыборочные файлы VCF и поддерживает ускорение на GPU, что позволяет применять его не только к стандартным модельным организмам. Восстанавливая аллель-специфические последовательности генома, инструмент выполняет анализ на уровне гаплотипа, предлагая детальную и точную картину потенциальных нецелевых эффектов.
«На мой взгляд, инструменты для редактирования генома должны быть такими же индивидуальными, как и геномы, на которые они нацелены», — говорит профессор Парк. «Наш инструмент закладывает основу для более точных и персонализированных стратегий редактирования».
Результаты тестирования
Команда протестировала инструмент на геномах человека и сладкого перца (Capsicum annuum), используя общедоступные данные секвенирования и данные, специфичные для сортов. У человека он выявил нецелевые сайты на хромосоме 10, отсутствующие в стандартном эталонном геноме. У сладкого перца он определил отдельные аллель-специфические нецелевые эффекты, полезные для селекции растений.
По сравнению с существующими инструментами, такими как Cas-OFFinder и CRISPRitz, Variant-aware Cas-OFFinder последовательно выявлял уникальные нецелевые объекты, вызванные небольшими вариантами, такими как вставки и делеции. Хотя он ещё не обнаруживает крупные структурные варианты, он поддерживает 557 видов и 40 типов PAM и полностью настраивается с помощью файлов YAML.
«Для точного редактирования генома требуются точные инструменты», — отмечает профессор Парк. «Мы считаем, что Variant-aware Cas-OFFinder будет играть центральную роль в разработке более безопасных и эффективных CRISPR-терапий и сельскохозяйственных приложений».
Инструмент доступен как в виде удобного веб-интерфейса, так и в виде версии для командной строки. Его исходный код, эталонные инструменты и примеры наборов данных находятся в открытом доступе на GitHub и Zenodo. Хотя анализ на уровне гаплотипа может немного снизить производительность по сравнению с более ранними инструментами, этот компромисс обеспечивает большую точность и надёжность в исследованиях по редактированию генома.
Предоставлено Пусанским национальным университетом.