Учёные обнаружили новую CRISPR-подобную систему в животных, способную редактировать геном человека
Исследователи под руководством Фэн Чжана из Broad Institute of MIT and Harvard и McGovern Institute for Brain Research at MIT обнаружили первую программируемую РНК-направляемую систему у эукариот — организмов, включающих грибы, растения и животных.
В исследовании, опубликованном в Nature, команда описывает систему на основе белка Fanzor. Они показали, что белки Fanzor используют РНК в качестве гида для точного нацеливания на ДНК, и что Fanzors можно перепрограммировать для редактирования генома человеческих клеток. Компактные системы Fanzor потенциально могут быть доставлены в клетки и ткани для терапии легче, чем системы CRISPR/Cas. Дальнейшая оптимизация для повышения эффективности нацеливания может сделать их ценной новой технологией для редактирования генома человека.
CRISPR/Cas был впервые обнаружен у прокариот, и учёные, включая лабораторию Чжана, давно задавались вопросом, существуют ли подобные системы у эукариот. Новое исследование демонстрирует, что РНК-направляемые механизмы разрезания ДНК присутствуют во всех царствах жизни.
Поиск в царствах жизни
Два года назад члены лаборатории Чжана обнаружили класс РНК-программируемых систем у прокариот под названием OMEGA, которые часто связаны с транспозонами в геномах бактерий и, вероятно, дали начало системам CRISPR/Cas. Та работа также выявила сходства между прокариотическими системами OMEGA и белками Fanzor у эукариот.
В новом исследовании учёные выделили Fanzors из грибов, водорослей, амёб и моллюска Northern Quahog. Биохимическая характеристика показала, что это эндонуклеазы, разрезающие ДНК, которые используют некодирующие РНК (ωRNAs) для нацеливания на определённые участки генома. Это первый случай обнаружения такого механизма у эукариот, таких как животные.
В отличие от белков CRISPR, ферменты Fanzor кодируются в геноме эукариот внутри транспозонных элементов. Филогенетический анализ предполагает, что гены Fanzor мигрировали из бактерий в эукариоты посредством горизонтального переноса генов.
Потенциал для редактирования генома
Исследователи продемонстрировали, что Fanzor может создавать вставки и делеции в целевых участках генома в человеческих клетках.
Первоначально система Fanzor оказалась менее эффективной в разрезании ДНК, чем CRISPR/Cas. Однако с помощью систематического инжиниринга учёные внесли комбинацию мутаций в белок, что увеличило его активность в 10 раз.
Кроме того, в отличие от некоторых систем CRISPR и белка OMEGA TnpB, Fanzor, выделенный из грибов, не проявлял «сопутствующей активности» (неразборчивого разрезания соседней ДНК или РНК). Это говорит о том, что Fanzors потенциально можно разработать как эффективные редакторы генома.
Анализ молекулярной структуры комплекса Fanzor/ωRNA показал, как он связывается с ДНК для её разрезания. Fanzor имеет структурное сходство со своим прокариотическим аналогом — белком CRISPR-Cas12, но взаимодействие между ωRNA и каталитическими доменами Fanzor более обширно.
Как и системы на основе CRISPR, систему Fanzor можно легко перепрограммировать для нацеливания на специфичные участки генома. Обилие РНК-направляемых эндонуклеаз, подобных Fanzors, расширяет количество известных систем OMEGA в царствах жизни и предполагает, что предстоит открыть ещё больше.