Ученые разработали химическую метку для ДНК, вдохновившись защитными стратегиями бактерий
Исследовательская группа под руководством ученых из Института РНК-инфекций Гельмгольца (HIRI) представила новый способ точной настройки генетического материала. Их исследование, опубликованное в Nature Biotechnology, описывает инновационную технику, при которой химические метки присоединяются непосредственно к ДНК, открывая новые подходы в медицине, сельском хозяйстве и биотехнологии.
Ученые из HIRI, в сотрудничестве с Университетом Юлиуса-Максимилиана в Вюрцбурге (JMU), Университетом штата Северная Каролина и ETH Zurich, разработали новый метод для точного редактирования ДНК. Их цель — сделать генетические изменения в бактериях, растениях и человеческих клетках еще более точными и щадящими.
Команда черпала вдохновение в естественной защитной системе бактерий от вирусов-бактериофагов. Для борьбы с ними бактерии используют два фермента, DarT2 и DarG. При вирусной инфекции DarT2 присоединяет химическую метку к ДНК, блокируя репликацию и останавливая распространение вируса. В отсутствие угрозы DarG деактивирует DarT2 и удаляет метку.
Этот тонко настроенный механизм лег в основу нового подхода к редактированию генома, названного исследователями «аппенд-редактированием» (append editing). «Впервые это позволяет нам достичь новых типов генетических модификаций, невозможных с предыдущими методами», — объясняют ученые.
Если представить ДНК как блокнот с цепочкой букв, то традиционные методы редактирования удаляют или заменяют отдельные буквы. Аппенд-редактирование же вводит небольшую химическую группу — молекулы ADP-рибозы — в определенное место. Это добавление функционирует как «стикер», прикрепленный к конкретной букве. Химическая метка заставляет клетку изменить эту ДНК с высокой точностью и минимальными нарушениями.
DarT2 — начало новой эры редактирования генома
В отличие от предыдущих технологий, где одни и те же инструменты дают схожие результаты во всех организмах, эффекты метода аппенд-редактирования различались между бактериями и эукариотами (грибами, растениями и клетками человека).
«Мы наблюдали, что аппенд-редактирование приводило к внесению крупных изменений в бактериях на основе предоставленного шаблона, в то время как в эукариотических клетках модифицированное основание ДНК меняло свою идентичность», — объясняет Чейз Байзел, руководитель департамента в HIRI.
«Это было одним из самых удивительных открытий — то, что результат репарации ДНК может сильно различаться между организмами», — добавляет Константинос Патиниос, бывший постдок в лаборатории Байзела.
Исследователи видят множество потенциальных применений для этого инструмента. «Наш метод аппенд-редактирования значительно расширяет инструментарий геномных исследований и открывает новые двери для прецизионной биотехнологии и разработки медицинской терапии», — говорит Даршана Гупта, докторант HIRI.
В частности, можно целенаправленно модифицировать микробы — например, для оптимизации естественно полезных бактерий в организме человека или для более эффективного изучения патогенов. В человеческих клетках точное редактирование может однажды помочь мягко корректировать наследственные заболевания и дать новые представления о процессах репарации ДНК.
Для клинического применения необходимы дальнейшие исследования. Однако ученые уверены. «DarT2 — еще один отличный пример использования бактериальной защиты в геномных исследованиях», — говорит Харрис Бассетт, который завершает свою докторскую диссертацию в лаборатории Байзела.