Точное редактирование генов в живых клетках требует учета упаковки ДНК
Редактирование генов с помощью CRISPR в живых клетках может стать более эффективным и точным благодаря исследованию ученых из Техасского университета в Остине, раскрывшему, как внутренняя организация клетки может помогать или мешать этому процессу.
Новые данные представлены в исследовании, опубликованном в журнале Science Advances.
Одна из проблем редактирования ДНК внутри живых клеток заключается в том, что около 2 метров ДНК упакованы в микроскопическом клеточном ядре. Сложная система плотных скручиваний и укладок позволяет всему этому поместиться.
Технология редактирования генов CRISPR обладает огромным потенциалом, но вызов заключается в деликатности процесса, где почти нет места ошибке. Разные ферменты CRISPR действуют как молекулярные ножницы, разрезая целевые последовательности ДНК. Однако в клетках живых организмов целевая последовательность находится внутри плотно упакованных узлов ДНК.
В клетках большая часть ДНК обернута вокруг белковых шариков, образуя структуры нуклеосомы. Нуклеосомы могут защищать ДНК, но также представляют препятствие для редактирования генов. Авторы исследования обнаружили, что наиболее эффективно редактировать последовательности ДНК в промежутках между нуклеосомами.
«Это важная информация, потому что она показывает нам области, на которые мы должны нацеливаться для редактирования», — сказала Изабель Строхкендл, ведущий автор статьи.
Не менее важно, что исследователи обнаружили, где редактирование с большей вероятностью пойдет не так, экспериментируя с ферментом CRISPR-Cas12a.
«Мы фактически обнаружили свидетельства того, что когда целевая последовательность ДНК находится внутри нуклеосомы, фермент Cas12a с большей вероятностью отредактирует похожую, но не идентичную последовательность в более доступных участках генома, чем саму целевую последовательность внутри нуклеосомы», — пояснил профессор Рик Рассел.
С другой стороны, последовательности ДНК в промежутках между нуклеосомами оставались доступными даже в высококонденсированной форме, напоминающей укладку ДНК в реальных клетках.
Команда также исследовала, можно ли сдвинуть структуры нуклеосом, чтобы получить доступ к целевым последовательностям внутри них. Они были среди первых, кто использовал для ответа на этот вопрос биохимические эксперименты (в отличие от косвенных экспериментов в клетках).
«Как только мы визуализировали трехмерную природу этих структур, мы поняли, что если нацелить фермент на одну сторону нуклеосомы, это может нарушить контакты ДНК на другой ее стороне. Эта стратегия потенциально обеспечивает некоторый доступ к таким сайтам», — сказала Строхкендл.
В исследовании также участвовали Фатема А. Сайфуддин и Илья Финкельштейн из UT Austin, а также Брайан А. Гибсон и Майкл К. Розен из Юго-западного медицинского центра Техасского университета. Финансирование было предоставлено Национальными институтами здравоохранения (NIH), Фондом Уэлча и Премией Allen Foundation Distinguished Investigator Award.