Ученые модифицировали CRISPR для ускорения геномного редактирования

Мощный инструмент редактирования генов CRISPR произвел революцию в исследованиях, позволяя ученым с высокой точностью вырезать и вставлять участки ДНК. Однако отслеживание влияния этих изменений на функцию генов может занимать много времени. Сейчас исследователи анализируют каждую правку по отдельности — процесс, растягивающийся на недели.

Исследователи из UCLA модифицировали технологию, что позволило им одновременно отслеживать результаты десятков тысяч генетических правок за то время, которое сейчас уходит на анализ всего нескольких. Разработка, описанная в Nature Genetics, улучшит способность ученых выявлять генетические изменения, которые с наибольшей вероятностью вредят клеткам и способствуют развитию болезней.

«Уже несколько лет ученые используют CRISPR, чтобы разрезать множество генов за один раз, — сказал ведущий автор Леонид Кругляк, заведующий кафедрой генетики человека в Медицинской школе Дэвида Геффена при UCLA. — Но не хватало методов CRISPR для одновременного редактирования многих генов. Наша лаборатория первой разработала масштабную методику для достижения этого в клетках, устроенных подобно человеческим».

Предыдущие исследования проводили параллельное редактирование в бактериальных клетках, которые организованы иначе, чем клетки человека.

CRISPR объединяет белок Cas9, похожий на ножницы, и направляющую молекулу, которая действует как ищейка, находя точное место в геноме. Оказавшись там, Cas9 разрезает ДНК, отключая целевой ген. Ученые также могут вставить новый фрагмент ДНК, чтобы отредактировать последовательность гена и «залатать» разрез, сделанный Cas9.

«Чтобы CRISPR правильно вносил правки в геном, каждая клетка должна получить правильную комбинацию направляющей молекулы и "заплатки"», — пояснила первый автор Меру Садху, научный сотрудник лаборатории Кругляка. Одновременная доставка правильных пар в тысячи клеток представляла собой сложную научную задачу.

Исследователи из UCLA изобрели метод, который физически соединил тысячи направляющих молекул с их парными «заплатками», что позволило доставить идеально подобранный набор в каждую клетку.

Чтобы проверить подход, Кругляк и Садху изучили класс генетических мутаций, которые, как подозревалось, вредны для клеток.

Эксперимент проводился на дрожжах, которые хорошо подходят для масштабных исследований CRISPR. Клеточные изменения в ответ на генетические правки происходят в дрожжах быстро и их легко наблюдать.

Вырастив миллионы дрожжевых клеток в колбе с жидкостью, ученые использовали CRISPR для доставки в каждую клетку индивидуального набора парных направляющих и «заплаток», одновременно исследуя эффекты примерно 10 000 различных мутаций. Каждая направляющая и «заплатка» указывали CRISPR, где разрезать ген и какую правку внести.

Через четыре дня команда определила, какие клетки погибли, а какие выжили.

«Мы были удивлены, обнаружив, что некоторые гены, считавшиеся необходимыми для функционирования клетки, на самом деле таковыми не являются, — сказала Садху. — В других генах важна лишь часть белка, в то время как остальное можно отрезать, и клетка все равно выживет».

Команда UCLA надеется, что их методика поможет ученым быстро отличать наиболее опасные генетические правки от безвредных.

«Теперь мы можем редактировать геном тысячами разных способов, одновременно наблюдая за положительными или отрицательными эффектами на клетки, — сказал Кругляк, который также является исследователем Медицинского института Говарда Хьюза. — Наша конечная цель — помочь ученым точно определить генетическую причину болезни, что приведет врачей к точному диагнозу и позволит пациентам получить наиболее эффективное лечение».