Обнаружен «выключатель» для системы редактирования генов CRISPR-Cas9
Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Франциско (UC San Francisco) обнаружили способ отключать широко используемую систему редактирования генов CRISPR-Cas9 с помощью вновь идентифицированных анти-CRISPR белков, которые производятся бактериальными вирусами. Этот метод может повысить безопасность и точность применения CRISPR как в клинике, так и в фундаментальных исследованиях.
Исследование, опубликованное в журнале Cell 29 декабря 2016 года, возглавил Бенджамин Раух, PhD, а работа проводилась в лаборатории Джозефа Бонди-Деноми, PhD.
CRISPR-Cas9 эволюционировала в бактериях как иммунная система для защиты от вирусных инфекций. Однако в последнее десятилетие она стала популярным инструментом для редактирования генов, позволяя учёным быстро и эффективно модифицировать генетическую информацию практически в любом организме.
Многие надеются, что CRISPR ускорит разработку методов прямого лечения генетических заболеваний. Однако технология пока не является достаточно точной и иногда вносит нецелевые изменения. Также существует обеспокоенность по поводу потенциального вредного использования её мощности.
Недавно обнаруженные анти-CRISPR белки — первые, которые работают против системы CRISPR-Cas9 типа SpyCas9, наиболее часто используемой в лабораториях и биотехнологической индустрии. Они могут помочь решить обе проблемы, обеспечивая более точный контроль и создавая «аварийный выключатель» для блокировки потенциально опасного применения технологии.
Как это было сделано: поиск «самоцелящихся» бактерий
Чтобы найти анти-CRISPR белок, работающий против системы SpyCas9, исследователи использовали оригинальный подход. Они решили идентифицировать бактерии с инактивированными системами CRISPR, найдя свидетельства «самоцелирования» (self-targeting). Речь идёт о штаммах, куда вирус успешно внедрил свои гены в бактериальный геном. Учёные предположили, что эти бактериофаги должны кодировать какой-то анти-CRISPR агент, иначе Cas9 убил бы бактерию, разрезав её собственный геном в месте вставки вирусной ДНК.
«Cas9 не очень умён. Он не может избежать разрезания собственной ДНК бактерии, если запрограммирован на это. Поэтому мы искали штаммы бактерий, где система CRISPR-Cas9 должна была бы атаковать собственный геном. Тот факт, что клетки не самоуничтожались, был ключом к тому, что вся система CRISPR инактивирована», — пояснил Бонди-Деноми.
Используя биоинформатический подход, команда исследовала около 300 штаммов Listeria и обнаружила, что 3% штаммов демонстрируют «самоцелирование». Дальнейший анализ позволил выделить четыре различных анти-CRISPR белка, способных блокировать активность белка Cas9 Listeria, который очень похож на SpyCas9.
Дополнительные эксперименты показали, что два из четырёх анти-CRISPR белков — названные исследователями AcrIIA2 и AcrIIA4 — эффективно ингибируют способность широко используемого SpyCas9 нацеливаться на определённые гены как в других бактериях (например, в E. coli), так и в модифицированных человеческих клетках. Результаты свидетельствуют, что белки AcrIIA являются мощными ингибиторами системы редактирования генов CRISPR-Cas9, используемой по всему миру.
«Следующий шаг — показать на человеческих клетках, что использование этих ингибиторов действительно может повысить точность редактирования генов, уменьшая нецелевые эффекты. Мы также хотим понять, как именно белки-ингибиторы блокируют способность Cas9 нацеливаться на гены, и продолжить поиск новых, более эффективных ингибиторов CRISPR в других бактериях», — сказал Раух.
«Выключатель» может повысить точность и безопасность применения CRISPR
Способность деактивировать SpyCas9 может сделать редактирование генов на основе CRISPR значительно безопаснее и точнее, решив проблему непреднамеренных «нецелевых» генетических модификаций, вероятность которых возрастает с увеличением времени активности механизма CRISPR в клетках-мишенях.
Открытие также может помочь учёным, использующим новые методы CRISPR, такие как CRISPR-интерференция и CRISPR-активация, которые применяют Cas9 не для изменения последовательности генов, а для точной регуляции их активности. Используя анти-CRISPR белки, исследователи смогут временно усиливать или блокировать активность генов, потенциально синхронизируя активность взаимосвязанных генов, что важно для изучения и лечения сложных многофакторных заболеваний.
Ингибиторы CRISPR также могут стать ценным средством безопасности, позволяя учёным быстро остановить любое нежелательное применение технологии редактирования генов вне лаборатории.
«Исследователи и общественность обоснованно обеспокоены тем, что CRISPR настолько мощный, что потенциально может быть использован в опасных целях. Эти ингибиторы предоставляют механизм для блокировки злонамеренного или выходящего из-под контроля применения CRISPR, делая более безопасным изучение всех способов, которыми эта технология может помочь людям», — сказал Бонди-Деноми.