Новая техника CRISPR позволяет пропускать участки генов, вызывающие болезни
Исследователи из Университета Иллинойса адаптировали технологию редактирования генов CRISPR, чтобы заставить клеточный механизм пропускать небольшую часть гена при его транскрипции в шаблон для построения белка. Этот подход дает возможность не только устранить мутировавшую последовательность гена, но и влиять на его экспрессию и регуляцию.
Такое целевое редактирование в будущем может быть полезно для лечения генетических заболеваний, вызванных мутациями в геноме, таких как мышечная дистрофия Дюшенна, болезнь Хантингтона или некоторые виды рака.
Обычные технологии CRISPR «выключают» гены, разрывая ДНК в начале целевого гена, что вызывает мутации при восстановлении разрыва. Этот подход может приводить к проблемам: разрывам ДНК в нецелевых местах и присоединению разорванной ДНК к другим хромосомам.
Новая техника CRISPR-SKIP, описанная в журнале Genome Biology, не разрывает цепочки ДНК, а изменяет одну точку в целевой последовательности ДНК.
«Учитывая проблемы с традиционным редактированием генов путем разрыва ДНК, мы должны найти способы оптимизации инструментов. Это хороший вариант, потому что мы можем регулировать ген, не разрывая геномную ДНК», — говорит профессор биоинженерии Пабло Перес-Пинера, руководивший исследованием вместе с профессором физики Джуном Сонгом.
В клетках млекопитающих гены разделены на сегменты — экзоны, которые перемежаются некодирующими участками ДНК. При транскрипции гена в РНК специальные сигналы указывают, какие части являются экзонами. Клетка «сшивает» РНК, транскрибированную с кодирующих участков, в один непрерывный шаблон для построения белка.
CRISPR-SKIP изменяет одно основание (один нуклеотид) перед началом экзона, заставляя клетку считывать его как некодирующую часть.
«Когда клетка воспринимает экзон как некодирующую ДНК, этот экзон не включается в зрелую РНК, что эффективно удаляет соответствующие аминокислоты из белка», — объясняет аспирант-биоинженер Майкл Гапинске, первый автор статьи.
Хотя пропуск экзонов приводит к белкам, в которых отсутствует несколько аминокислот, такие укороченные белки часто сохраняют частичную или полную активность. Этого может быть достаточно для восстановления функции при некоторых генетических заболеваниях.
Другие подходы к пропуску экзонов не изменяют ДНК постоянно, обеспечивая лишь временный эффект и требуя повторных введений. CRISPR-SKIP позволяет добиться долговременной коррекции болезни с помощью однократного лечения, и процесс является обратимым.
Исследователи протестировали технику на нескольких клеточных линиях мышей и человека, как здоровых, так и раковых. Секвенирование ДНК и РНК показало, что система может с высокой эффективностью нацеливаться на определенные основания и пропускать экзоны. Также было показано, что можно комбинировать разные варианты CRISPR-SKIP для пропуска нескольких экзонов в одном гене.
«При мышечной дистрофии Дюшенна, например, достаточно исправить 5–10% клеток, чтобы получить терапевтический эффект. С CRISPR-SKIP мы наблюдали уровень модификации более 20–30% во многих изученных клеточных линиях», — отмечает Перес-Пинера.
Группа создала веб-инструмент, позволяющий другим исследователям проверять, можно ли нацелить CRISPR-SKIP на конкретный экзон, минимизируя шансы связывания с похожими участками генома.
Поскольку исследователи наблюдали некоторые мутации в нецелевых сайтах, они работают над повышением эффективности и специфичности CRISPR-SKIP.
«Геном человека содержит более трех миллиардов оснований. Поэтому вероятность попадания в похожий на целевой регион участок не нулевая. Мы надеемся, что будущие улучшения технологий редактирования генов повысят специфичность CRISPR-SKIP, что позволит решить некоторые проблемы, мешающие широкому применению генной терапии в клинике», — говорит Джун Сонг.