Фермент, нацеленный на РНК, расширяет CRISPR-инструментарий

Исследователи из Института исследований мозга Макговерна MIT обнаружили бактериальный фермент, который, по их словам, может расширить CRISPR-инструментарий учёных, сделав разрезание и редактирование РНК таким же простым и точным, как и редактирование ДНК. Фермент под названием Cas7-11 модифицирует РНК-мишени, не повреждая клетки, что указывает на его ценность не только как исследовательского инструмента, но и как перспективной платформы для терапевтических применений.

"Этот новый фермент — словно Cas9 для РНК", — говорит сотрудник института Макговерна Омар Абудайех, ссылаясь на разрезающий ДНК CRISPR-фермент, революционизировавший современную биологию. "Он делает два точных разреза и не разрушает клетку в процессе, в отличие от других ферментов", — добавляет он.

До сих пор для нацеливания на РНК активно разрабатывалось только одно семейство ферментов — Cas13. Однако, когда Cas13 распознаёт свою мишень, он измельчает все РНК в клетке, уничтожая и саму клетку. Как и Cas9, Cas7-11 является частью программируемой системы; его можно направить на специфические РНК-мишени с помощью CRISPR-гида. Абудайех, его коллега Джонатан Гутенберг и их команда обнаружили Cas7-11 в результате глубокого изучения CRISPR-систем микробного мира. Их результаты были недавно опубликованы в журнале Nature.

Изучение природного разнообразия

Как и другие CRISPR-белки, Cas7-11 используется бактериями в качестве защитного механизма против вирусов. После встречи с новым вирусом бактерии сохраняют запись об инфекции в виде небольшого фрагмента генетического материала патогена. Если вирус появляется снова, CRISPR-система активируется и, направляемая небольшим фрагментом РНК, уничтожает вирусный геном.

Эти древние иммунные системы широко распространены и разнообразны. "Одни нацелены на ДНК, другие — на РНК. Одни очень эффективно разрезают мишень, но обладают некоторой токсичностью, а другие — нет. Они делают разные типы разрезов, могут различаться по специфичности", — говорит эволюционный биолог Евгений Кунин.

Команда изучала последовательности геномов, чтобы понять естественное разнообразие CRISPR-систем и найти потенциальные инструменты. "Мы не знаем, что найдём, но давайте просто исследуем и посмотрим, что там есть", — говорит Абудайех.

Белок из бактерии, выделенной в Токийском заливе, привлёк их внимание. Его аминокислотная последовательность указывала на принадлежность к классу CRISPR-систем, которые используют большие мультибелковые комплексы. Но этот белок, казалось, мог выполнять работу самостоятельно. Другие известные однобелковые Cas-ферменты, включая широко используемый для редактирования ДНК Cas9, относятся к отдельному классу. Cas7-11 стирает границы этой классификации, отмечает Кунин.

С инженерной точки зрения фермент был привлекателен, потому что отдельные белки легче доставлять в клетки. Его строение также указывало на неожиданную эволюционную историю: команда нашла свидетельства того, что компоненты более сложной Cas-машины в ходе эволюции объединились в единый белок Cas7-11. Гутенберг сравнивает это с открытием летучей мыши, когда считалось, что летать могут только птицы, что показывает множественность эволюционных путей к одной функции.

Точное редактирование

Когда команда начала экспериментировать с Cas7-11, они поняли, что этот необычный фермент предлагает мощный способ манипулировать РНК и изучать её. Вместе с РНК-гидом он делал исключительно точные разрезы, вырезая мишени и не затрагивая другую РНК. Это позволило использовать Cas7-11 для изменения конкретных "букв" в РНК-коде, исправляя ошибки, вызванные генетическими мутациями. Также они смогли запрограммировать фермент на стабилизацию или разрушение конкретных молекул РНК внутри клеток, регулируя уровни кодируемых ими белков.

Абудайех и Гутенберг также обнаружили, что способность Cas7-11 разрезать РНК может подавляться белком, который, вероятно, также участвует в запуске запрограммированной гибели клеток. Это предполагает возможную связь между CRISPR-защитой и более экстремальным ответом на инфекцию.

Команда показала, что вектор для генной терапии может доставлять полную систему редактирования Cas7-11 в клетки, и что фермент не вредит их жизнеспособности. Они надеются, что после дальнейшей разработки фермент однажды можно будет использовать для вырезания вызывающих болезнь последовательностей из РНК пациента, чтобы их клетки производили здоровые белки, или для снижения уровня вредного белка при генетическом заболевании.

"Мы считаем, что уникальный способ разрезания Cas7-11 открывает множество интересных и разнообразных применений", — говорит Гутенберг, отмечая, что никакой другой CRISPR-инструмент не режет РНК так точно. "Это ещё один отличный пример того, как фундаментальные биологические исследования могут давать новые инструменты для терапии и диагностики. И мы, конечно, лишь в начале пути изучения природного разнообразия".