Крупнейшее исследование мутаций CRISPR-Cas9 создало инструмент для предсказания результатов редактирования генов
Крупнейшее на сегодняшний день исследование действия CRISPR позволило разработать метод для предсказания точных мутаций, которые технология редактирования генов CRISPR-Cas9 может внести в клетку. Учёные из Института Сэнгера Уэлком отредактировали 40 000 различных фрагментов ДНК и проанализировали миллиард полученных последовательностей ДНК, чтобы выявить эффекты редактирования и создать инструмент машинного обучения для прогнозирования результатов. Это поможет исследователям, использующим CRISPR-Cas9 для изучения механизмов заболеваний и поиска мишеней для лекарств.
Как сообщается в Nature Biotechnology, новый ресурс позволит учёным предсказывать лучшие последовательности для нацеливания, чтобы сделать редактирование генов CRISPR-Cas9 более надёжным, а следовательно, дешёвым и эффективным.
CRISPR-Cas9 — это технология редактирования генов, позволяющая исследователям разрезать ДНК в любом месте генома, создавать мутации и отключать определённые гены. Эта важная технология используется учёными по всему миру для изучения роли генов при различных состояниях — от рака до редких заболеваний. Сейчас её также испытывают в терапевтических целях для коррекции вредных мутаций в генах людей.
Специфическая направляющая РНК связывается с точной последовательностью целевой ДНК, направляя «ножницы» Cas9 для разрезания ДНК в нужном месте. Однако сложно предсказать, какими именно будут конечные мутации, поскольку при репарации разрыва клеткой, когда концы ДНК снова соединяются, часто происходят дополнительные изменения.
Для изучения этого процесса исследователи создали более 40 000 пар различных целевых ДНК и направляющих РНК и провели редактирование генов CRISPR-Cas9. С помощью глубокого секвенирования каждой пары в разных клетках они смогли детально проанализировать, как ДНК разрезалась и воссоединялась. Они обнаружили, что репарация зависит от точной последовательности ДНК и направляющей РНК, и выяснили, что этот процесс воспроизводим для одной и той же последовательности.
Затем исследователи использовали огромный массив данных о последовательностях для создания вычислительного инструмента машинного обучения, который вывел общие правила для определения результата репарации. Эта программа — FORECasT — позволила им предсказывать восстановленную последовательность, используя только последовательность целевой ДНК.
«Мы провели крупнейшее и наиболее полное на сегодняшний день исследование действия CRISPR-Cas9 и проанализировали более миллиарда последовательностей ДНК, чтобы изучить этот процесс. Мы показали, что определённые целевые последовательности репарировались клеткой одинаково, доказывая, что действие клеточных механизмов воспроизводимо», — сказал доктор Лука Крепальди, соавтор исследования из Института Сэнгера Уэлком.
«Обнаружение воспроизводимой репарации ДНК после редактирования CRISPR-Cas9 в сочетании с огромным объёмом сгенерированных нами данных о последовательностях позволило нам создать прогностический инструмент с использованием методов машинного обучения. Наш ресурс может предсказывать точные мутации, возникающие в результате редактирования генов CRISPR-Cas9, только на основе последовательности целевой ДНК. Это сэкономит время и ресурсы для будущих применений CRISPR-Cas9 и открыто доступен для использования всеми исследователями, применяющими редактирование генов для изучения здоровья и болезней», — добавила доктор Фелисити Аллен, соавтор исследования из Института Сэнгера Уэлком.
«CRISPR-Cas9 — чрезвычайно важная система для внесения мутаций в ДНК в исследовательских и перспективных терапевтических целях. Наше исследование позволяет учёным гораздо лучше понять её работу, а наш трансформационный метод позволяет людям предсказывать эффекты каждого редактирования CRISPR-Cas9 в клетке. Это позволяет лучше планировать эксперименты по редактированию и может привести к будущим терапевтическим применениям», — заключил доктор Леопольд Партс, старший автор статьи из Института Сэнгера Уэлком.