Компактные «генетические ножницы» TnpB: эффективное редактирование генома и перспектива лечения наследственного высокого холестерина
CRISPR-Cas широко используется в исследованиях и медицине для редактирования, вставки, удаления или регуляции генов. TnpB — предок этих известных «генетических ножниц», но он гораздо меньше, что облегчает его доставку в клетки.
Исследователи из Университета Цюриха с помощью белковой инженерии и AI-алгоритмов улучшили возможности TnpB, сделав редактирование ДНК более эффективным и универсальным. Это открывает путь для лечения генетического дефекта, вызывающего высокий холестерин. Работа опубликована в Nature Methods.
Меньший инструмент для редактирования генома
Недавно было обнаружено, что белки Cas эволюционировали из гораздо более мелких белков, где TnpB является предшественником Cas12. Большой размер белков Cas создает проблемы при доставке в нужные клетки организма, поэтому в последних исследованиях пытаются использовать их более мелких эволюционных предков.
Проблема этих небольших альтернатив — их низкая эффективность. Эту преграду преодолела исследовательская группа под руководством Джеральда Шванка из Института фармакологии и токсикологии Университета Цюриха (UZH) вместе с коллегами из ETH Zurich.
«Спроектировав небольшой, но мощный белок TnpB, мы смогли создать вариант, который демонстрирует 4.4-кратное увеличение эффективности модификации ДНК», — говорит Шванк.
Исследованный TnpB происходит из бактерии Deinococcus radiodurans. Ранее было показано, что компактный белок TnpB работает для редактирования генома в клетках человека, но с низкой эффективностью и ограниченной способностью к нацеливанию.
Улучшенная способность связывания и более широкий спектр мишеней ДНК
Исследователи оптимизировали TnpB так, чтобы он редактировал ДНК клеток млекопитающих эффективнее исходного белка.
«Хитрость заключалась в двусторонней модификации инструмента: во-первых, чтобы он эффективнее попадал в ядро, где находится геномная ДНК, а во-вторых, чтобы он нацеливался и на альтернативные последовательности генома», — говорит Ким Маркварт, аспирант лаборатории Шванка и первый автор исследования.
Чтобы определить, какие особенности в последовательностях ДНК влияют на эффективность редактирования, исследователи протестировали TnpB на 10 211 различных сайтах-мишенях. В сотрудничестве с командой профессора UZH Майкла Краутхаммера они разработали новую AI-модель, способную предсказывать эффективность редактирования TnpB для любого заданного сайта-мишени.
«Наша модель может предсказать, насколько хорошо TnpB будет работать в разных сценариях, что облегчает и ускоряет планирование экспериментов. Используя эти предсказания, мы достигли эффективности до 75.3% в печени мышей и 65.9% в мозге мышей», — добавляет Маркварт.
Генная терапия наследственного высокого холестерина
«Для экспериментов на животных мы смогли использовать клинически пригодные векторы на основе адено-ассоциированного вируса для эффективной доставки инструментов в клетки мышей. Благодаря своему малому размеру, система редактирования генов TnpB может быть упакована в один вирусный частицу», — говорит Маркварт.
Для сравнения, компоненты CRISPR-Cas9 приходится упаковывать в несколько вирусных частиц, что требует применения более высоких доз вектора.
В текущем проекте исследователи изучили, можно ли использовать инструмент TnpB для лечения пациентов с семейной гиперхолестеринемией. Это генетическое заболевание приводит к пожизненно сильно повышенному холестерину, затрагивая примерно 31 миллион человек в мире и повышая риск раннего атеросклеротического сердечно-сосудистого заболевания.
«Нам удалось отредактировать ген, регулирующий уровень холестерина, тем самым снизив холестерин у обработанных мышей почти на 80%. Цель — разработать аналогичные стратегии редактирования генов у людей для лечения пациентов с гиперхолестеринемией», — говорит Шванк.