Учёные создали CRISPR-систему для редактирования отдельных букв РНК в клетках человека

Исследователи из Broad Institute и MIT, которые впервые адаптировали CRISPR для редактирования генома млекопитающих, создали новую молекулярную систему для эффективного редактирования РНК в клетках человека. Редактирование РНК, которое может изменять продукты генов без внесения изменений в геном, имеет огромный потенциал как инструмент для исследований и лечения заболеваний.

В статье, опубликованной в Science, старший автор Фэн Чжан и его команда описывают новую систему на основе CRISPR под названием RNA Editing for Programmable A to I Replacement, или «REPAIR». Система может изменять отдельные нуклеозиды РНК в клетках млекопитающих программируемым и точным образом. REPAIR способна обращать вспять вызывающие заболевания мутации на уровне РНК.

«Возможность корректировать болезнетворные мутации — одна из основных целей редактирования генома, — сказал Чжан. — До сих пор мы научились очень хорошо инактивировать гены, но восстановление утраченной функции белка — гораздо более сложная задача. Эта новая способность редактировать РНК открывает больше потенциальных возможностей для восстановления этой функции и лечения многих заболеваний практически в любом типе клеток».

REPAIR может нацеливаться на отдельные «буквы» РНК (нуклеозиды), превращая аденозины в инозины (которые клетка считывает как гуанозины). Эти буквы задействованы в однонуклеотидных изменениях, которые, как известно, регулярно вызывают заболевания у человека. В человеческих болезнях мутация от G к A встречается чрезвычайно часто; такие изменения связаны, например, с фокальной эпилепсией, мышечной дистрофией Дюшенна и болезнью Паркинсона. REPAIR способна обратить эффект любой патогенной мутации G-to-A, независимо от окружающей нуклеотидной последовательности.

В отличие от постоянных изменений генома, необходимых для редактирования ДНК, редактирование РНК предлагает более безопасный и гибкий способ внесения исправлений. «REPAIR может исправлять мутации, не вмешиваясь в геном, и, поскольку РНК естественным образом деградирует, это потенциально обратимое исправление», — пояснил соавтор Дэвид Кокс.

Чтобы создать REPAIR, учёные систематически исследовали семейство ферментов CRISPR-Cas13 на предмет кандидатов в «редакторы» (в отличие от Cas9, белки Cas13 нацелены на РНК и разрезают её). Они выбрали фермент из бактерий Prevotella под названием PspCas13b, который был наиболее эффективен в инактивации РНК. Команда создала деактивированный вариант PspCas13b, который всё ещё связывается с определёнными участками РНК, но лишён «ножничной» активности, и соединила его с белком ADAR2, который превращает нуклеозид аденозин в инозин в транскриптах РНК.

В системе REPAIR деактивированный фермент Cas13b находит целевую последовательность РНК, а элемент ADAR2 выполняет конверсию нуклеозида, не разрезая транскрипт и не полагаясь на собственные клеточные механизмы.

Команда дополнительно модифицировала систему редактирования, чтобы повысить её специфичность, сократив обнаруживаемые внецелевые правки с 18 385 до всего 20 во всём транскриптоме. Усовершенствованная версия, REPAIRv2, стабильно достигала желаемого редактирования в 20–40% (и до 51%) целевой РНК без признаков значительной внецелевой активности.

Чтобы продемонстрировать терапевтический потенциал REPAIR, команда синтезировала патогенные мутации, вызывающие анемию Фанкони и X-связанный нефрогенный несахарный диабет, внедрила их в клетки человека и успешно скорректировала эти мутации на уровне РНК.

Исследователи также работают над дополнительными инструментами для других типов конверсии нуклеозидов. «В этих ферментах есть огромное естественное разнообразие. Мы всегда стремимся использовать силу природы для осуществления этих изменений», — сказал соавтор Джонатан Гутенберг.

Чжан вместе с Broad Institute и MIT планируют широко распространять систему REPAIR. Как и в случае с более ранними инструментами CRISPR, группы сделают эту технологию свободно доступной для академических исследований через страницу лаборатории Чжана на сайте обмена плазмидами Addgene.