Twin prime editing: новая система для вставки целых генов в клетки человека
Исследователи из Broad Institute (MIT и Гарвард) разработали новую версию технологии prime editing, способную устанавливать или заменять последовательности ДНК размером с целый ген. Prime editing, впервые созданный в 2019 году, — это точный метод внесения разнообразных изменений в геном человеческих клеток, включая небольшие замены, вставки и делеции.
В исследовании, опубликованном в Nature Biotechnology, команда описывает twin prime editing (twinPE) — метод, который делает два смежных prime-редактирования, чтобы вставить в определённые участки генома крупные последовательности ДНК с минимальными нежелательными побочными продуктами. После доработки технология может стать новой формой генной терапии для безопасной и высокоточной вставки терапевтических генов взамен мутировавших или отсутствующих.
Исследователи продемонстрировали терапевтический потенциал twinPE, отредактировав в человеческих клетках ген, связанный с синдромом Хантера — редким генетическим заболеванием. Болезнь вызвана инверсией (переворотом) участка ДНК длиной около 40 000 пар оснований. Команда использовала twinPE, чтобы создать инверсию аналогичной длины в том же участке генома, показав, как метод может исправить болезнетворную мутацию. Учёные также использовали twinPE для точной вставки «груза» размером в тысячи пар оснований в терапевтически значимые участки генома.
Этот подход решает ограничение оригинальной системы prime editing, которая могла редактировать лишь несколько десятков пар оснований. Для изучения или лечения некоторых генетических заболеваний требуются более крупные правки. Как и оригинальный метод, twinPE не разрывает двойную спираль ДНК, разрезая обе цепи в одном месте одновременно, что может вызывать плохо контролируемые результаты редактирования и вредные хромосомные аномалии.
«Вставка здорового гена в выбранное нами место у пациента без создания двуцепочечных разрывов и смеси побочных продуктов была одной из давних проблем в редактировании генов», — сказал Дэвид Лю, старший автор исследования.
«TwinPE может стать потенциально более безопасным и точным способом вставки целых терапевтических генов в указанные позиции, такие как местоположение нативного гена у здоровых людей или "безопасные гавани", которые, как считается, минимизируют риск побочных эффектов».
Редактирование в прайм-тайм
Prime editing, разработанный в лаборатории Лю, позволяет вносить замены, вставки и делеции в ДНК и обещает исправить большинство известных болезнетворных генетических вариаций. Однако редактирование последовательностей длиннее 100 пар оснований оставалось неэффективным.
Twin prime editing заполняет этот пробел. Система использует белок prime editor и две направляющие РНК (prime editing guide RNAs), которые направляют редактор и кодируют правки. Каждая из двух РНК направляет редактор, чтобы сделать одноцепочечный разрыв (ник) в ДНК в разных целевых участках генома, избегая двуцепочечного разрыва, создающего нежелательные побочные продукты в других методах. Затем система синтезирует две новые комплементарные цепи ДНК, содержащие желаемую последовательность между двумя никами. Используя этот подход, команда смогла вставлять, заменять или удалять последовательности длиной до ~800 пар оснований.
Для редактирования ещё более крупных последовательностей исследователи использовали twinPE для установки в геноме «посадочных площадок» для ферментов — сайт-специфичных рекомбиназ, которые катализируют интеграцию ДНК в определённые участки генома. Затем клетки обрабатывали рекомбиназой и вводили длинные фрагменты ДНК для вставки в геном. Комбинация twinPE и рекомбиназ позволила учёным редактировать последовательности длиной в тысячи пар оснований — размером с целые гены.
Лю и его команда сейчас тестируют различные рекомбиназы, которые могут повысить эффективность twinPE, и оценивают способность метода вставлять ещё более длинные генетические последовательности.
«Это исследование, вместе с работами других учёных, может ознаменовать начало нового поколения стратегий генной терапии, подобно тому как CRISPR-нуклеазы, редакторы оснований и prime editing стали началом нового поколения технологий редактирования генов», — отметил Лю.