Природоподобные ферменты CRISPR для расширенного редактирования генома

CRISPR — это адаптивная иммунная система бактерий. Ученые используют ее белки, в частности фермент Cas9, который в комбинации с направляющей РНК может находить, разрезать и изменять определенные последовательности ДНК.

CRISPR — перспективный инструмент для редактирования генома. Однако ферменты Cas9, такие как широко используемый SpCas9 из Streptococcus pyogenes, требуют для работы специфических последовательностей в ДНК. SpCas9 нужны два нуклеотида "G" рядом с мишенью, что ограничивает его применение менее чем 10% геномных сайтов.

Исследователи из MIT и Медицинской школы Университета Массачусетса создали новые белки с улучшенными возможностями редактирования, расширив спектр доступных последовательностей ДНК. Работа опубликована в Nature Biotechnology и Nature Communications.

От ScCas9 к Sc++

Ранее команда открыла и охарактеризовала Cas9 из бактерии Streptococcus canis (ScCas9), который может нацеливаться почти на 50% сайтов в геноме (исследование 2018 года в Science Advances).

Путем вычислительного дизайна и замены доменов ученые создали оптимизированную версию — Sc++. Этот фермент одновременно обладает:

• Широким спектром нацеливания.
• Высокой активностью разрезания.
• Минимальным количеством ошибок (внецелевых эффектов).

iSpyMac: отказ от нуклеотида "G"

С помощью алгоритма SPAMALOT команда обнаружила Cas9 из Streptococcus macacae (SmacCas9), которому требуются два нуклеотида "A". После доменной замены и инженерии был создан фермент iSpyMac — один из первых известных редакторов Cas9, не требующий "G". Это открывает доступ к дополнительным 20% генома.

"Чтобы создать iSpyMac, мы одновременно внесли сотни изменений в SpCas9, зная, что даже одно изменение может его сломать. Наш успех — свидетельство ценности микробных геномных данных", — отмечает Ноа Джикимо.

Значение и перспективы

По словам Эрика Сонтхаймера, "чем меньше ограничений по нацеливанию и компромиссов между активностью и точностью, тем больше влияние CRISPR на биотехнологию и здоровье человека. Sc++ и iSpyMac — ценные новые дополнения к арсеналу редактирования".

Ферменты уже используются в лабораториях мира для редактирования геномов различных организмов — от риса до кроликов. Следующая цель — разработать инструменты для доступа к оставшимся 30% последовательностей генома.

В настоящее время команда применяет свои вычислительные принципы для борьбы с пандемией COVID-19, проектируя белки, способные связываться с вирусом SARS-CoV-2, чтобы остановить его и обеспечить восстановление клеток.