Новый фермент позволяет технологиям CRISPR точно нацеливаться почти на все гены человека

Инженеры из Университета Дьюка разработали метод, расширяющий возможности CRISPR-технологий. Если исходная система CRISPR могла нацеливаться только на 12,5% генома человека, то новый метод открывает доступ почти к каждому гену, что потенциально позволяет воздействовать на более широкий спектр заболеваний с помощью геномного редактирования.

В исследовании участвовали сотрудники Гарвардского университета, Массачусетского технологического института, Медицинской школы Массачусетского университета, Цюрихского университета и Университета Макмастера.

Работа была опубликована 4 октября в журнале Nature Communications.

CRISPR-Cas — это бактериальная иммунная система, которая позволяет бактериям использовать молекулы РНК и CRISPR-ассоциированные (Cas) белки для нацеливания и разрушения ДНК вторгающихся вирусов. С момента её открытия исследователи активно разрабатывают новые CRISPR-системы для применения в генной терапии и геномном редактировании.

Для внесения изменений в геном белки Cas используют как молекулу РНК (она направляет фермент к целевой последовательности ДНК), так и мотив, примыкающий к протоспейсеру (PAM) — короткую последовательность ДНК, которая следует сразу за целевой и необходима для связывания Cas-белка.

Когда направляющая РНК находит комплементарную последовательность ДНК, а Cas-фермент связывается с соседним PAM, фермент действует как ножницы, разрезая ДНК и запуская желаемые изменения в геноме. Наиболее распространённая система CRISPR-Cas — это Cas9 из бактерии Streptococcus pyogenes (SpCas9), для которой требуется PAM-последовательность из двух гуаниновых оснований (GG) подряд.

В предыдущей работе команда под руководством Чаттерджи использовала биоинформатические инструменты для обнаружения и конструирования новых белков Cas9, включая Sc++, которому для разрезания требуется PAM всего с одним гуаниновым основанием. Это изменение позволило редактировать почти 50% всех последовательностей ДНК.

Параллельно коллеги Чаттерджи из Гарварда под руководством Бенджамина Кляйнстивера создали другой вариант — SpRY. Хотя SpRY мог связываться с любым из четырёх оснований ДНК, образующих PAM, он имел гораздо большее сродство к аденину и гуанину.

Поскольку обе системы имели недостатки, группа решила объединить лучшее из них в новом варианте под названием SpRYc.

«CRISPR — отличный инструмент для редактирования определённой ДНК, но мы по-прежнему ограничены в выборе генов для редактирования. Исходный инструмент CRISPR мог редактировать только около 12,5% всех последовательностей ДНК в зависимости от расположения конкретного спейсера. Если мутация находится в остальных 87,5%, вам не повезло. С помощью этого нового инструмента мы можем нацеливаться почти на 100% генома с гораздо большей точностью», — сказал Чаттерджи.

Хотя SpRYc работал медленнее своих аналогов при разрезании целевых последовательностей ДНК, он был эффективнее традиционных ферментов в редактировании определённых участков ДНК. Несмотря на широкий спектр действия, SpRYc также был точнее, чем SpRY.

Установив возможности редактирования SpRYc, команда исследовала его терапевтический потенциал для генетических заболеваний, которые не поддавались лечению стандартной системой CRISPR. Первым тестом стал синдром Ретта — прогрессирующее неврологическое расстройство, которое преимущественно поражает девочек и вызывается одной из восьми мутаций в определённом гене.

Вторым тестом стала болезнь Хантингтона — редкое наследственное неврологическое заболевание, вызывающее дегенерацию нейронов в мозге. Команда обнаружила, что SpRYc способен изменять ранее недоступные мутации, открывая потенциальные терапевтические возможности для обоих заболеваний.

«У SpRYc большой потенциал, будь то изучение способов его применения в клинике или поиск путей повышения эффективности. Мы с нетерпением ждём возможности изучить все возможности нашего инструмента», — сказал Чаттерджи.

Примечание (5 декабря 2023 г.): ссылка на публикацию в тексте статьи была обновлена с Nature Chemical Biology на Nature Communications для точности.