Ретроны: новый шаг в развитии инструментов для редактирования ДНК

Ретроны — специализированные иммунные системы бактерий, защищающие их от вирусов. Учёные, включая Сета Шипмана из Институтов Глэдстоуна, показали, что ретроны также можно использовать в лаборатории для точного редактирования ДНК. Их можно комбинировать с CRISPR для более эффективного редактирования человеческих клеток.

Однако, несмотря на потенциал для изучения болезней и разработки терапий, исследовано лишь небольшое количество ретронов. В природе существуют тысячи их вариантов, и некоторые обладают большей эффективностью.

В исследовании, опубликованном в Nature Biotechnology, команда Шипмана значительно расширила знания о ретронах. Они провели «перепись» 163 ранее не тестировавшихся ретронов и выявили множество тех, которые редактируют ДНК быстрее и эффективнее, чем используемые сейчас.

«Базовый уровень ретронной технологии теперь значительно повышен, — говорит Шипман. — Практически в каждом типе клеток мы нашли ретроны, которые были гораздо лучшими редакторами, чем те, с которых мы начинали».

Учёные протестировали новые ретроны в бактериях, фагах и человеческих клетках. Некоторые из них редактируют достаточно эффективно, чтобы их можно было использовать для лечения болезней. Результаты также предоставляют обширную базу данных для изучения свойств разных ретронов.

Расширение инструментария

С момента появления CRISPR более десяти лет назад редактирование генов помогает понять работу клеток и разрабатывать методы лечения. Ретроны, способные производить большое количество ДНК для обнаружения вирусов, выводят эти возможности на новый уровень.

Шипман — один из мировых лидеров в разработке ретронов как биотехнологического инструмента. Он использует их как микрофабрики внутри клеток для создания цепочек ДНК, необходимых для редактирования.

Хотя ретроны очень распространены у бактерий, учёные использовали лишь несколько систем, описанных в 1980-х годах. Несколько лет назад исследователи из Испании обнаружили в геномных базах данных почти 2000 участков ДНК, предсказанных как ретроны.

«Никто не тестировал эти ретроны в лаборатории, поэтому мы решили это сделать», — говорит Асим Хан, соавтор исследования.

В новой работе группа Шипмана провела эксперименты с выборкой из 163 предполагаемых ретронов, отобранных для отражения разнообразия полного списка.

Исследователи создали бактерии E. coli, содержащие код для каждого предсказанного ретрона, и проверили, производят ли они ДНК. Большинство из них оказались функциональными ретронами.

«Мы измерили, сколько ДНК может производить каждый новый ретрон, — говорит соавтор Матиас Рохас-Монтеро. — Наша лаборатория ранее обнаружила, что количество ДНК, производимой ретроном, хорошо предсказывает его эффективность в редактировании генома».

Команда обнаружила, что родственные ретронные системы, как правило, производят больше всего ДНК. Это знание может помочь предсказать эффективность других ретронов для редактирования.

Более эффективные редакторы

После подтверждения, что ретроны производят ДНК в E. coli, команда отобрала 29 ретронов для тестирования в системах редактирования генов в E. coli и фагах.

В E. coli восемь ретронов показали более высокую эффективность редактирования, чем Retron-Eco1, который считается золотым стандартом для бактерий. Один ретрон из бактерии Klebsiella variicola имел 10-кратное увеличение эффективности по сравнению с Eco1. В фагах четыре ретрона были эффективнее Eco1.

Наконец, команда протестировала более 130 ретронов на способность редактировать гены в человеческих клетках; 58 из них имели более высокую точность, чем Eco1. Лучшие ретроны вносили правильные правки в 30–40% клеток. Такой уровень редактирования считается достаточно высоким для терапевтического эффекта при многих заболеваниях, таких как аутоиммунные и болезни крови.

Шипман и его коллеги планируют дальнейшие исследования новых ретронов, а также тех предсказанных систем, которые не производили ДНК, чтобы понять, какие их части влияют на продукцию ДНК и работу с редакторами генов.

«Мы уже раздаём эти новые ретроны многим лабораториям, которые хотят их использовать, — говорит Шипман. — Продолжая глубоко изучать свойства ретронов, мы думаем, что сможем их дополнительно сконструировать и улучшить».