Nature Methods: Компактные «генные ножницы» эффективно редактируют геном

Системы CRISPR-Cas — это защитные механизмы бактерий, которые борются с вирусами. За последнее десятилетие их модифицировали и стали использовать в генной инженерии и медицине.

Этими «генными ножницами» можно управлять: они находят нужные участки в ДНК и редактируют генетическую информацию. Например, могут исправить мутацию, вызывающую болезнь.

Гораздо меньший инструмент для редактирования генома

Учёные выяснили, что белки Cas произошли от более мелких белков. Прародителем Cas12 является TnpB.

Доставить большие Cas-белки в нужные клетки организма сложно, поэтому учёные попытались использовать их меньших эволюционных прародителей для редактирования генома. Но эти маленькие альтернативы работают менее эффективно.

Исследовательская группа под руководством Джеральда Шванка из Института фармакологии и токсикологии Цюрихского университета совместно с коллегами из ETH Zurich преодолела эту проблему. Они создали более эффективный инструмент редактирования генов на основе белка TnpB — он повышает эффективность модификации ДНК в 4,4 раза.

Белок TnpB встречается у бактерий и архей. Исследователи изучили белок, который происходит от бактерии Deinococcus radiodurans. Этот микроб устойчив к холоду, обезвоживанию, вакууму и кислоте, а также к радиации. Ранее белок TnpB уже применяли для редактирования генома в клетках человека, но его эффективность была низкой, и он ограниченно подходил для таргетинга из-за требований к распознаванию при связывании ДНК.

Улучшенная способность связывания и более широкий спектр последовательностей ДНК-мишеней

Исследователи улучшили работу белка TnpB, чтобы он эффективнее редактировал ДНК клеток млекопитающих.

Ким Маркварт, аспирант из лаборатории Джеральда Шванка и первый автор исследования, рассказал, что они модифицировали белок двумя способами:

1. чтобы он лучше проникал в ядро, где находится геномная ДНК;
2. чтобы он мог нацеливаться на альтернативные геномные последовательности.

Исследователи протестировали TnpB на 10 211 целевых сайтах, чтобы определить особенности последовательностей ДНК, влияющие на эффективность редактирования генома.

Совместно с командой Майкла Краутхаммера они создали модель искусственного интеллекта, которая предсказывает эффективность работы TnpB для любого целевого сайта. Это упрощает и ускоряет разработку успешных экспериментов по редактированию генов.

Используя эти прогнозы, учёные добились эффективности до 75,3% в печени мышей и 65,9% в мозге мышей.

Генная терапия генетического дефекта, вызывающего повышенный уровень холестерина

Мы использовали адено-ассоциированные вирусные векторы, чтобы перенести инструменты в клетки мышей.

Маркварт пояснил, что система редактирования генов TnpB может уместиться в одной вирусной частице, а компоненты CRISPR-Cas9 — только в нескольких, поэтому для них нужны более высокие дозы вектора.

Исследователи выясняли, можно ли использовать инструмент TnpB для лечения семейной гиперхолестеринемии. Это генетическое заболевание, при котором в крови постоянно повышен уровень холестерина. От него страдает примерно 31 миллион человек во всём мире. Риск развития атеросклеротических сердечно-сосудистых заболеваний у таких пациентов выше.

Учёные смогли снизить уровень холестерина у мышей почти на 80%. Теперь они хотят разработать аналогичную стратегию для людей с гиперхолестеринемией.

Результаты опубликованы в издании Nature Methods.

23.09.2024