Превращение ошибок репарации ДНК в инструмент

Новый биоинформатический инструмент MHcut, разработанный исследователями из Киото (Япония) и Монреаля (Канада), показывает, что естественная система репарации повреждений ДНК — микрогомологичное соединение концов (MMEJ) — вероятно, встречается у людей гораздо чаще, чем предполагалось изначально. Используя MHcut и коммерческую технологию редактирования генома, исследователи с чрезвычайной точностью создали мутации в iPS-клетках, чтобы моделировать заболевания без необходимости в образцах пациентов. Это сочетание, о котором можно прочитать в Nature Communications, значительно упростит изучение заболеваний, даже когда пациенты редки или недоступны.

Лаборатория адъюнкт-профессора CiRA Кнута Вольтена изучает эту третью, менее изученную систему репарации для разработки новых технологий редактирования генов. MMEJ восстанавливает двунитевые разрывы, фланкированные короткими идентичными последовательностями — микрогомологиями.

«Её важность в репарации ДНК в лабораторных условиях была известна некоторое время, но только благодаря этой работе мы смогли оценить масштабы её связи с делеционными вариантами в популяции человека», — говорит Вольтен.

Используя MHcut, аспирантка Янин Гражкарек обнаружила, что 57% всех делеционных мутаций в геноме человека фланкированы микрогомологичными последовательностями длиной не менее трех пар оснований. Этот процент намного больше, чем можно было бы ожидать случайно.

«Менее 0,1% из них связаны с заболеванием. Остальные 99,9% — их влияние еще никто не определил», — отмечает Гражкарек.

Популярные технологии редактирования генов, такие как CRISPR/Cas9, работают, используя естественные системы репарации ДНК, включая MMEJ. Команда Вольтена ранее показала, что MMEJ обеспечивает более высокую точность. Теперь с помощью MHcut новое исследование показывает ученым, как идентифицировать делеционные мутации в геноме человека, которые можно воссоздать с помощью MMEJ в лаборатории.

В качестве демонстрации лаборатория модифицировала три гена в человеческих iPS-клетках:

• DYSF — регулирует восстановление мышц, его мутации связаны с мышечной дистрофией.
• ALAS2 и FECH — кодируют ферменты пути синтеза гема. Их мутации вызывают фоточувствительность кожи, а в некоторых случаях — повреждение печени. В настоящее время нет доступных моделей заболеваний для ALAS2.

После создания мутаций группа Вольтена объединила усилия с коллегами из CiRA — экспертами по генерации мышечных клеток (для мутации DYSF) и эритроцитов (для мутаций ALAS2 и FECH) из iPS-клеток. Отредактированные клетки показали характеристики, соответствующие заболеванию у пациентов.

«Для орфанных заболеваний бывает сложно найти пациентов. Также требуется время для репрограммирования образцов в iPS-клетки. MHcut упрощает изучение редких заболеваний», — говорит профессор Мегуму Саито.

По словам Гражкарек, успех проекта стал удачным стечением обстоятельств. Когда для подтверждения находки по всем хромосомам потребовался сложный анализ, в проект включились два биоинформатика из Университета Макгилла в Монреале, находившиеся в Японии.

«Это исследование демонстрирует силу сотрудничества между дисциплинами и странами», — заключает она.