Направленная эволюция эндогенных генов открывает путь к быстрому улучшению агрономических признаков

Исследовательская группа под руководством профессоров Гао Цайся и Ли Цзяяна из Института генетики и биологии развития Китайской академии наук создала пять редакторов для насыщенного таргетного мутагенеза эндогенных генов (STEME) и получила de novo мутации для облегчения направленной эволюции генов растений. Их исследование было опубликовано в Nature Biotechnology 13 января.

Наследственность и изменчивость — основа эволюции организмов. Случайный мутагенез с помощью физических или химических методов давно используется для улучшения признаков у растений, но этот процесс трудоемок и требует много времени.

У высших организмов, особенно у растений, целевой ген обычно переносят в бактериальную или дрожжевую клетку для создания необходимого разнообразия для отбора. Однако, когда ген извлечен из нативного контекста, функциональные последствия мутаций могут отличаться. Кроме того, большинство важных агрономических признаков нельзя отбирать в бактериях или дрожжевых клетках.

«Создание мощных инструментов для прямой индукции насыщенных таргетных мутаций и отбора в растениях ускорит развитие агрономических признаков и важных функциональных генов», — сказала профессор Гао Цайся.

Исследователи сконструировали четыре редактора STEME, объединив цитидиндезаминазу с аденозиндезаминазой. Все четыре STEME эффективно производили одновременные замены C>T и A>G, используя только одну sgRNA.

Они также создали пятый редактор — STEME-NG — для расширения спектра мишеней. С помощью всего 20 sgRNA в протопластах риса STEME-NG смог вызвать почти насыщенный мутагенез для участка из 56 аминокислот в гене ацетил-КоА-карбоксилазы риса (OsACC).

В эксперименте по доказательству концепции исследователи использовали STEME для направленной эволюции гена OsACC в растениях риса. Они обработали проростки риса гербицидом галоксифопом в качестве фактора отбора. Ученые идентифицировали три новые (P1927F, W2125C и S1866F) и одну известную (W2125C) аминокислотные замены, обеспечивающие устойчивость к гербициду. На основе гомологичного моделирования CT-домена дрожжевой ACC было установлено, что эти мутации напрямую или косвенно влияют на карман связывания галоксифопа.

Разработка STEME прокладывает путь для направленной эволюции эндогенных генов растений in situ, что важно для селекции с помощью молекулярного дизайна.

Более того, процесс STEME может быть применим и за пределами растениеводства. Например, он может быть полезен для скрининга мутаций лекарственной устойчивости, изменения cis-элементов в некодирующих областях и коррекции патогенных однонуклеотидных вариантов в клеточных линиях, дрожжах или животных.