CRISPRware: новый инструмент для точного редактирования генома

Аспирант по биомолекулярной инженерии в Калифорнийском университете в Санта-Крузе разработал программу CRISPRware, призванную облегчить прецизионное редактирование генома для разработки передовых методов лечения генетических заболеваний, таких как серповидноклеточная анемия.

Инструмент назван в честь системы CRISPR-Cas9. Cas9 — это белок, который связывается с короткой направляющей РНК (guide RNA), комплементарной конкретному участку генома, и делает двуцепочечный разрыв ДНК, позволяя вносить изменения.

Проблема и решение

Основное ограничение CRISPR — короткая последовательность-мотив в guide RNA, необходимая для связывания с Cas9. Существующие инструменты хорошо работают с ~20 000 хорошо аннотированных белковых генов человека, но не подходят для исследования новых или малоизученных кодирующих регионов.

CRISPRware позволяет проектировать guide RNA для любого участка генома, учитывая требования различных CRISPR-систем. Программа сканирует весь геном и находит все возможные guide RNA, соответствующие заданным ограничениям.

«По-настоящему хорошего инструмента для кастомизации целевых участков генома не было», — говорит разработчик Эрик Малекос, чьи исследования сосредоточены на малых нехарактеризованных пептидах из обширных неаннотированных областей генома.

Инструмент представлен в статье «CRISPRware: a software package for contextual gRNA library design», опубликованной 1 июля в BMC Genomics.

Значение малых пептидов

Несмотря на малый размер, такие пептиды могут быть высокофункциональными. Например, глюкагоноподобный пептид-1 (GLP-1) длиной около 60 аминокислот регулирует уровень сахара в крови, аппетит и пищеварение и стал основой для класса препаратов от диабета 2 типа и снижения веса (Ozempic, Wegovy).

Малекос изучает роль малых пептидов в системе врожденного иммунитета и воспалительных реакциях. Его научный руководитель, профессор Сьюзан Карпентер, отмечает, что CRISPRware — высокоуниверсальный инструмент, а его интеграция в широко используемый UCSC Genome Browser делает программу доступной для исследователей без опыта в биоинформатике.

«Инструмент Эрика помогает демократизировать использование CRISPR, значительно снижая потребность в вычислительной экспертизе», — сказала Карпентер. Она добавила, что недавний прорыв — первое успешное применение персонализированной CRISPR-терапии у человека для лечения дефицита карбамоилфосфатсинтетазы 1 (CPS1) — является мощным примером того, в каких открытиях может сыграть роль CRISPRware.

Интеграция с популярной платформой

Интеграция выводов CRISPRware в UCSC Genome Browser (которым ежедневно пользуются десятки тысяч исследователей) делает инструмент доступным для широкой аудитории. Ученые без глубоких вычислительных навыков могут:

• быстро просматривать целые библиотеки предварительно вычисленных guide RNA для шести модельных организмов;
• увеличивать интересующий ген или регион;
• выбирать оптимальные guide RNA без необходимости писать код или настраивать сложное ПО.

«Этот подход снижает барьер для входа, помогая распространить преимущества CRISPR на все сообщество наук о жизни», — сказал Малекос.

Кроме того, инструмент позволяет проводить CRISPR-скрининг высокого пропускного способства, систематически проверяя тысячи кандидатных пептидов. Такой масштабный подход критически важен для картирования «темного протеома» — мира коротких функциональных белков, скрытых в нашем геноме.

Валидация на модельных организмах

Для проверки CRISPRware Малекос запустил программу на полных геномах шести модельных видов: человека, крысы, мыши, рыбки данио, плодовой мушки и круглого червя C. elegans. Для каждого организма CRISPRware сгенерировал полные каталоги guide RNA, нацеленных на кодирующие регионы, что предлагает научному сообществу надежный и доступный ресурс.

«Это гарантирует, что исследователи, работающие с любым из этих организмов, могут быстро определить оптимальные guide RNA для своих экспериментов», — заключила Карпентер.