Программируемая РНК, соединяющая генетического донора и цель, может стать предвестником более безопасного и гибкого подхода к масштабным изменениям генов.
Молекулярная странность, обнаруженная в бактериях, может стать ключом к изменению геномов по своему усмотрению, позволяя исследователям вставлять, удалять или переставлять большие сегменты ДНК. Техника, описанная в трех работах, опубликованных в этом месяце в журналах Nature1,2 и Nature Communications3, использует естественную способность мобильных генетических последовательностей, называемых "прыгающими генами", вставлять себя в геномы.
Системы, управляемые молекулами РНК, называемые "мостовой" РНК или система "seekRNA", позволяет редактировать гены в бактериях in vitro, но пока неясно, можно ли приспособить ее для работы в клетках человека. Если да, то она может стать революционной благодаря своему небольшому размеру и способности вносить генетические изменения длиной в тысячи оснований - гораздо больше, чем это возможно с помощью системы редактирования генома CRISPR-Cas9, при этом не нарушая ДНК. "Если это сработает в других клетках, то это станет революционным событием", - считает Сандро Фернандеш Атаиде, структурный биолог из Сиднейского университета в Австралии и один из авторов статьи в Nature Communications. "Это открывает новое пространство для редактирования генов".
Как и многие другие открытия, слава CRISPR-Cas9 сопровождалась недостоверными заявлениями. Хотя этот метод можно использовать для переписывания небольших сегментов генома, он не является полностью универсальной системой типа "вырезать и вставить", какой его представляют в некоторых новостях. Чаще всего этот метод используется для изменения одного или нескольких оснований ДНК, а для этого, как правило, необходимо сначала разрушить ДНК, а затем, полагаясь на врожденные системы восстановления ДНК клетки, произвести желаемые изменения. Однако это приводит к непреднамеренным побочным генетическим повреждениям, которые могут возникнуть в процессе восстановления.
По мере внедрения CRISPR в медицинскую практику исследователи стремятся расширить набор методов редактирования генома, чтобы можно было вставлять целые или даже несколько генов в нужное место. Это позволит разработать терапию, которая будет лечить людей, имеющих несколько мутаций в одном гене, вместо того чтобы воздействовать на каждую мутацию индивидуально. А возможность редактировать несколько генов позволит исследователям создавать иммунные клетки, которые будут атаковать рак различными способами, при этом сохраняя контроль над тем, куда эти гены вставляются в геном.
"Что вы действительно хотите сделать в будущем, так это иметь возможность редактировать целые участки генома, а не отдельные основания", - поясняет Патрик Хсу, биоинженер из некоммерческого института Arc Institute и соавтор обеих статей в Nature. В поисках инструментов Хсу и его коллеги изучили разнообразный класс ферментов, которые позволяют мобильным элементам ДНК в бактериях перемещаться из одного места в другое. Они остановились на семействе транспозируемых элементов под названием IS110.
Ферменты семейства IS110 используют сложную и необычную систему нацеливания на основе РНК, обнаружила исследовательская группа. Один конец РНК связывается с фрагментом ДНК, который будет вставлен в геном, а другой - с фрагментом ДНК в том месте генома, куда будет помещен груз. Поскольку РНК соединяет два сегмента ДНК, авторы назвали эти молекулы "мостовыми (bridge) РНК". Изменяя последовательности на обоих концах этого моста, исследователи смогли запрограммировать ферменты IS110 на вставку груза в нужное место генома. С помощью этой системы они точно вставили кусок ДНК длиной почти 5000 оснований в геном бактерии Escherichia coli, а также вырезали и инвертировали другой кусок ДНК из генома E. coli. Работая независимо от Хсу, Атаиде и его коллеги охарактеризовали биохимию молекул IS110, а также молекул другого семейства, называемого IS1111, которые используют схожий механизм и также поддаются программированию. Они назвали эти РНК - РНК-посредниками (seekRNA).
Разработка и использование этих механизмов - выдающееся достижение, утверждает Элизабет Келлогг, изучающая мобильные элементы ДНК, называемые транспозонами, в Детской исследовательской больнице Святого Иуды в Мемфисе. "Всем нравится, что транспозоны могут вставлять большие блоки ДНК, - говорит она, - но добиться того, чтобы они были программируемыми и специфичными для конкретного участка, чрезвычайно сложно".
Другие системы транспозиции, которые исследователи изучали для редактирования генома, более сложны, отмечает она, и часто состоят из нескольких белков. В другой работе, опубликованной в журнале Nature в этом месяце, исследователи определили, как ключевые компоненты некоторых из этих сложных машин образуют комплексную структуру, известную как транспозосома, которая работает вместе с ферментом под названием транспозаза, позволяя мобильным генетическим элементам перемещаться по геному4.
Для создания систем на основе CRISPR, способных производить большие манипуляции в геноме, также часто требуется несколько белков или слияние фермента Cas с другим белком. Например, в статье, опубликованной 26 июня в журнале Cell, описывается метод дублирования фрагментов генома размером до 100 миллионов оснований - больше, чем некоторые человеческие хромосомы, - с помощью белка Cas9, соединенного с ферментом, который может копировать последовательность донора5.
Для систем IS110 и IS1111, напротив, требуется всего один белок, и он меньше половины размера многих Cas-ферментов, используемых в системах редактирования генома CRISPR. Такая разница в размерах важна для медицины: вирусы, которые часто используются для доставки компонентов редактирования генома в человеческие клетки, имеют ограниченный грузовой потенциал. Но у систем CRISPR есть и такое преимущество, как универсальность, отмечает Чензу Лонг, биоинженер из Нью-Йоркского университета. Некоторые Cas-ферменты работают практически во всех изученных типах клеток. Работа над IS110 и IS1111 "прекрасна", - говорит Лонг. " Я очень надеюсь, что через несколько месяцев они скажут, что это работает на мышах", - добавляет он. "Тогда давайте выпьем по чашечке кофе".
Пока что члены семейства IS110, похоже, не очень хорошо работают в клетках млекопитающих, считает Хироши Нисимасу, структурный биолог из Токийского университета, который вместе с Хсу определял механизм, с помощью которого фермент IS110 нацеливается на ДНК. Сейчас участники группы пытаются создать фермент, который будет лучше работать в клетках млекопитающих. Независимо от их успеха, механизм IS110 выделяется как новый и "элегантный" способ, с помощью которого мобильные элементы ДНК могут путешествовать по геному, полагает Нэнси Крейг, старший вице-президент биотехнологической компании Therapeutics, которая стремится разработать инструменты редактирования генома с помощью транспозонов млекопитающих.
"Мать-природа нашла множество решений для этого", - говорит она. "Мы нашли всего несколько и нас ждет еще много других".
Ссылки:
1.Durrant, M. G. et al. Nature 630, 984–993 (2024).
2.Hiraizumi, M. et al. Nature 630, 994–1002 (2024).
3.Siddiquee, R., Pong, C. H., Hall, R. M. & Ataide, S. F. Nature Commun. 15, 5235 (2024).
4.de la Gándara, Á. et al. Nature https://doi.org/10.1038/s41586... (2024).
5.Zhang, R. et al. Cell https://doi.org/10.1016/j.cell... (2024).
