Структура ключевого комплекса CRISPR раскрыта
Исследователи из Broad Institute и MIT совместно с коллегами из Токийского университета впервые получили детальную картину комплекса Cas9 — ключевой части системы CRISPR-Cas, которую учёные используют как инструмент редактирования генома для «выключения» генов и изучения биологии клеток. Результаты, опубликованные на этой неделе в журнале Cell, помогут исследователям усовершенствовать этот инструмент и приблизить его применение для лечения генетических заболеваний человека.
CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats), впервые обнаруженные у бактерий в 1987 году, недавно стали использоваться как инструменты редактирования генома. Они позволяют находить «опечатки» в трёхмиллиардной последовательности букв человеческого генома, вырезать и изменять проблемные участки. Ключевую роль в этом процессе играет комплекс Cas9, включающий «разрезающий» фермент Cas9 и направляющую РНК, которая приводит фермент к цели в ДНК.
«Мы рассматриваем комплекс Cas9 как идеальную управляемую ракету для нацеливания на определённые участки генома», — говорит соавтор Фэн Чжан. — «Это исследование даёт схему всей системы — показывает ракету (белок Cas9), программирующие инструкции (направляющую РНК) и цель (ДНК). Оно также раскрывает секрет, как эти части работают вместе».
Для изучения системы Чжан обратился к соавтору Осаму Нурэки из Токийского университета. Их совместная команда раскрыла сложную структуру комплекса.
Исследование выявило разделение функций внутри комплекса Cas9. Белок Cas9 состоит из двух долей: одна отвечает за распознавание элементов РНК и ДНК, а другая — за разрезание целевой ДНК, создавая «двухцепочечный разрыв», который отключает целевой ген. Также было обнаружено, что ключевые структуры Cas9 взаимодействуют с направляющей РНК, позволяя комплексу организоваться вокруг РНК и целевой ДНК перед разрезанием.
Выявление ключевых особенностей комплекса Cas9 позволит исследователям улучшить инструмент редактирования генома.
«До сих пор рационально модифицировать Cas9 было очень сложно. Теперь, имея структурную информацию, мы можем использовать принципиальный подход для инженерии белка, чтобы сделать его более эффективным», — сказал Чжан.
В настоящее время Cas9 используется в экспериментах по «выключению» генов в клетках млекопитающих, иногда на нескольких участках генома одновременно. Однако система может нацеливаться только на определённые типы сайтов, а также есть риск «внецелевого» действия.
Исследователи планируют использовать новую детальную картину комплекса Cas9 для решения этих проблем.
«Понимание этой структуры может помочь нам обойти текущие ограничения комплекса Cas9», — говорит соавтор Ф. Энн Ран. — «В будущем это позволит разрабатывать версии этих инструментов, более специфичные для наших исследовательских нужд. Мы даже сможем изменить тип нуклеиновых последовательностей, на которые может нацеливаться Cas9».
Такие технологические улучшения необходимы, если система CRISPR-Cas будет развиваться в терапевтический инструмент для лечения генетических заболеваний.