Ученые создали уникальный механизм редактирования генома без необходимости разрезать ДНК
CRISPR работает как генетические «ножницы», способные вносить точные изменения в геном живых клеток. Система может искать определенную последовательность ДНК, а затем использовать фермент, чаще всего Cas9, чтобы аккуратно разрезать ее. Когда клетка выполняет процедуры восстановления своей ДНК, CRISPR дает ей команду использовать другую последовательность вместо исходной, тем самым редактируя геном.
Эта система уже доказала свою неоценимую роль в ряде приложений, от лечения таких заболеваний, как рак, ВИЧ и мышечная дистрофия, до борьбы с вредителями, улучшения урожая и создания биологических компьютеров из бактерий.
Однако есть и потенциальные проблемы. Разрезание ДНК может вызвать некоторые непреднамеренные побочные эффекты, и ученые уже высказывали опасения, что CRISPR может вносить изменения в неправильную часть генома. Кроме того, уже внесенные изменения порой сложно масштабировать, а потому у ученых не выйдет внести большое количество правок за один раз и отслеживать эффекты конкретных мутаций даже в лабораторных тестах.
Новая технология редактирования генов, разработанная исследователями из Гарвардской медицинской школы и Института Висса, пытается решить эти проблемы. Основное отличие RLR заключается в том, что он вообще не разрезает ДНК — вместо этого он вводит новый сегмент ДНК, пока клетка реплицирует свой геном перед делением.
Методика делает свою работу с помощью ретронов, которые представляют собой сегменты бактериальной ДНК, производящие фрагменты одноцепочечной ДНК. Оказывается, изначально это был механизм самозащиты, который бактерии использовали, чтобы проверить, не заражены ли они вирусом.
Добавляя желаемый сегмент ДНК вместе с одноцепочечным белком (SSAP), система RLR гарантирует, что предполагаемый сегмент ДНК окажется в геноме дочерней клетки после деления исходной клетки.
«Мы решили, что ретроны должны давать нам возможность производить одноцепочечные ДНК внутри клеток, вместо того, чтобы пытаться заставить их проникнуть в клетку извне. Мы также избегаем повреждений нативной ДНК, что значительно облегчает задачу», — пояснил Дэниел Гудман, соавтор исследования.
У новой системы есть и другие преимущества. Она хорошо масштабируется, позволяя производить миллионы мутаций одновременно, а доля отредактированных клеток фактически увеличивается с течением времени по мере репликации клеток. Последовательность ретрона также можно отслеживать как «штрих-код», что позволяет ученым легко проверять, какие клетки получили какие изменения, при попытке изучить эффекты мутаций.
Чтобы протестировать систему, исследователи применили ее к редактированию популяций кишечной палочки. Они использовали ретроны, чтобы ввести в бактерии гены устойчивости к антибиотика. После ряда других настроек, предназначенных чтобы помешать микробам исправить изменения ДНК (которые бактерия, естественно, посчитает «ошибкой»), ученые обнаружили, что более 90% микробов в среде включили желаемую последовательность в свой естественный геном всего через 20 поколений! А благодаря штрих-кодам ретронов команда смогла легко отследить, какие изменения привели к переносу нужных генов в бактериальный геном.
Хотя предстоит еще много работы, команда уверена, что новый инструмент RLR может иметь множество приложений. В краткосрочной перспективе он может позволить изучать бактериальные геномы и их мутации, потенциально помогая создавать новые полезные штаммы или раскрывать варианты решения таких проблем, как устойчивость к антибиотикам. В долгосрочной перспективе он также может привести к созданию более безопасной альтернативы CRISPR для других организмов, включая нас с вами.
В отличие от CRISPR, новая система RLR не разрезает ДНК на кусочки, что значительно облегчает работу и контроль за изменениями, внесенными в геном