Новая система редактирования генов использует "прыгающие гены" для точной интеграции ДНК
Исследователи из Колумбийского университета разработали технологию INTEGRATE, которая устраняет ключевой недостаток современных инструментов редактирования генов, таких как CRISPR, и предлагает новый мощный подход для генной инженерии и терапии.
Новая технология использует бактериальные транспозоны ("прыгающие гены") для надежной вставки любой последовательности ДНК в геном без разрезания ДНК. Современные инструменты редактирования полагаются на разрезание ДНК, что может приводить к ошибкам.
"Современные инструменты похожи на молекулярные ножницы: они разрезают ДНК, но фактическое редактирование выполняется собственной системой репарации ДНК клетки", — говорит Сэм Стернберг, старший автор исследования. — "Вы остаетесь на милости клетки, чтобы она завершила работу".
INTEGRATE, описанная в журнале Nature, функционирует скорее как "молекулярный клей", чем как ножницы.
"Вместо того чтобы создавать разрывы ДНК и полагаться на клетку для их починки, INTEGRATE напрямую вставляет заданную пользователем последовательность ДНК в точное место генома — возможность, которую молекулярные биологи искали десятилетиями", — говорит Стернберг.
Недостатки текущих инструментов
Опора на систему репарации клетки имеет серьезные ограничения:
- Многие клетки восстанавливают разрыв ДНК неправильно или вносят ошибки.
- Некоторые клетки могут не экспрессировать необходимые для вставки новых последовательностей механизмы репарации.
- Разрывы ДНК запускают ответ на повреждение ДНК, который может иметь побочные эффекты.
Это делает редактирование генов трудным или невозможным в некоторых типах клеток.
Система INTEGRATE использует "прыгающие гены"
Новая технология решает эту проблему с помощью автономной системы редактирования ДНК, полученной из бактерии Vibrio cholerae, которая не требует помощи со стороны клетки.
Исследователи обнаружили транспозон в Vibrio cholerae, который использует CRISPR-Cas систему бактерии для встраивания в разные участки генома. Ключевое отличие: транспозон интегрируется не путем разрезания ДНК, а с помощью отдельного фермента — интегразы.
Место, куда интегразы вставляет ДНК, полностью контролируется связанной с ней CRISPR-системой через направляющую РНК (guide RNA).
Исследователи использовали это открытие для создания инструмента редактирования, который можно запрограммировать на вставку любой последовательности ДНК в любой участок бактериального генома:
- Перепрограммируя направляющую РНК, можно точно контролировать место интеграции.
- Заменив последовательность транспозона другой "полезной нагрузкой", можно вставлять последовательности длиной до 10 000 пар оснований.
- Секвенирование подтвердило точную вставку без лишних копий в нецелевых участках.
Таким образом, INTEGRATE — это первая полностью программируемая система вставки.
Улучшенное редактирование генов
INTEGRATE позволяет набору ферментов выполнить весь процесс интеграции ДНК, надежно вставляя произвольную последовательность в точное место генома, без опоры на систему репарации клетки-хозяина.
Технология открывает новые возможности для:
- Генной и клеточной терапии
- Создания генетически модифицированных культур
- Разработки биологических препаратов
Она предлагает новый подход с той же программируемостью и простотой использования, что и CRISPR-Cas9, но без побочных эффектов, связанных с разрывами ДНК.
Следующие шаги
Технология INTEGRATE была разработана на бактериальных моделях. Исследователи сейчас тестируют ее в других типах клеток, включая клетки млекопитающих.
Исходя из траектории развития технологии CRISPR-Cas9, есть основания полагать, что точная интеграция ДНК будет работать в клетках млекопитающих так же эффективно, как и в E. coli, открывая путь к фундаментальным исследованиям и потенциальным клиническим применениям.
Исследование "Transposon-encoded CRISPR-Cas systems direct RNA-guided DNA integration" было опубликовано онлайн 12 июня в журнале Nature.