Ученые создали новый метод формирования искусственных хромосом человека

Искусственные хромосомы человека (HACs), способные функционировать в человеческих клетках, могут стать основой для продвинутой генной терапии, включая лечение некоторых видов рака, а также для многих лабораторных применений. Однако серьезные технические препятствия сдерживали их разработку. Исследователи из Медицинской школы Перельмана Пенсильванского университета совершили значительный прорыв, эффективно обойдя распространенную проблему.

В исследовании, опубликованном в Science, ученые объяснили, как разработали эффективную методику создания HACs из единых длинных конструктов синтетической ДНК. Предыдущие методы были ограничены тем, что конструкты ДНК, используемые для создания HACs, имели тенденцию соединяться друг с другом — «мультимеризоваться» — в непредсказуемо длинные цепочки с непредсказуемыми перестройками.

Новый метод позволяет создавать HACs быстрее и точнее, что напрямую ускорит темпы исследований ДНК. Со временем, при наличии эффективной системы доставки, эта методика может привести к созданию более совершенных инженерных клеточных терапий для таких заболеваний, как рак.

«По сути, мы провели полную переработку старого подхода к дизайну и доставке HACs», — заявил Бен Блэк, доктор философии, профессор биохимии и биофизики. — «Созданные нами HACs очень перспективны для использования в биотехнологиях, например, где требуется масштабное генетическое редактирование клеток. Дополнительное преимущество в том, что они сосуществуют с естественными хромосомами, не требуя их изменения».

Первые HACs были созданы 25 лет назад. Технология искусственных хромосом уже хорошо развита для более мелких и простых хромосом низших организмов, таких как бактерии и дрожжи. С человеческими хромосомами дело обстоит сложнее, в основном из-за их большего размера и более сложных центромер — центральных областей, где соединяются плечи Х-образных хромосом.

Ранее исследователям удавалось получить небольшие искусственные хромосомы из само-связывающихся фрагментов ДНК, добавленных в клетки. Однако эти фрагменты мультимеризовались с непредсказуемой организацией и числом копий, что осложняло их терапевтическое или научное использование. Иногда полученные HACs даже включали фрагменты естественных хромосом клетки-хозяина, делая редактирование ненадежным.

В своей работе исследователи создали усовершенствованные HACs, используя несколько инноваций:

• Более крупные исходные ДНК-конструкты, содержащие более крупные и сложные центромеры, что позволяет HACs формироваться из единичных копий этих конструктов.
• Для доставки в клетки использовалась система на основе дрожжевых клеток, способная нести более крупные «грузы».

«Вместо того чтобы пытаться подавить мультимеризацию, мы просто обошли проблему, увеличив размер вводимого ДНК-конструкта так, чтобы он естественным образом оставался в предсказуемой форме с одной копией», — пояснил Блэк.

Исследователи показали, что их метод гораздо эффективнее стандартных в формировании жизнеспособных HACs, и полученные хромосомы могли воспроизводиться при делении клеток.

Потенциальные преимущества искусственных хромосом (при условии их легкой доставки в клетки и работы, подобной естественным) многочисленны:

• Они предлагают более безопасные, эффективные и долговечные платформы для экспрессии терапевтических генов по сравнению с вирусными системами доставки, которые могут вызывать иммунные реакции и связаны с вредной вирусной интеграцией в естественные хромосомы.
• Нормальная экспрессия генов в клетках требует множества локальных и удаленных регуляторных факторов, которые практически невозможно воспроизвести искусственно вне хромосомоподобного контекста.
• В отличие от относительно тесных вирусных векторов, искусственные хромосомы позволят экспрессировать большие, кооперативные ансамбли генов, например, для создания сложных белковых машин.

Блэк ожидает, что использованный его группой широкий подход будет полезен для создания искусственных хромосом и других высших организмов, включая растения для сельскохозяйственных нужд, таких как устойчивые к вредителям высокоурожайные культуры.

В исследовании также участвовали ученые из Института Крейга Вентера, Эдинбургского университета и Дармштадтского технического университета.