Редактирование генома живых клеток с высокой точностью

Источник: mit.edu

Новая методика, разработанная в Массачусетском технологическом институте (США) позволяет быстро и точно редактировать ДНК. Как отмечает руководитель исследовательской группы доцент Фэн Чжан, система способна изменить несколько участков генома одновременно, при максимальном контроле над тем, где вставлены новые гены. Для создания новой технологии исследователи модифицировали набор бактериальных белков, которые защищают бактерии от вирусных захватчиков. Первые попытки создания генетически измененных организмов были предприняты в 1980-х годах, тогда ученые добавляли небольшие фрагменты ДНК в эмбриональные клетки мышей. Данная методика широко используется для создания трансгенных мышей для изучения человеческих болезней. Но, поскольку участок ДНК вставляется в геном случайным образом, ученые не могут ориентировать новые гены так, чтобы заменить существующие.

Другой метод, изобретенный не так давно, называется гомологичной рекомбинацией. Но успех этой техники не слишком велик, потому что естественный процесс рекомбинации в нормальных клетках происходит редко. Ученые пытались повысить эффективность гомологичной рекомбинации при помощи специальных ферментов — нуклеаз, которые могут разрезать ДНК. Для доставки нуклеаз в определенное место использовались так называемые «цинковые пальцы». Но массив цинковых пальцев не может ориентироваться на все возможные последовательности ДНК, что ограничивает их полезность. Кроме того, сборка белков — нуклеаз является дорогим и трудоемким процессов. Комплексы, известные как активаторы транскрипции или эффекторные нуклеазы (TALENs) тоже могут разрезать геном в определенных местах, но их сборка также слишком трудоемкая и затратная.

Технология, разработанная в МИТ, намного удобнее и проще. Она основана на использовании естественной бактериальной белковой РНК-системы, которая распознает и разрезает вирусные ДНК. Из этой системы ученые создали комплекс редактирования ДНК, включающий нуклеазу Cas9, связанную с короткими последовательностями РНК. Когда комплекс встречается с заданным участком (соответствующим последовательности РНК), Cas9 разрезает ДНК. Этот подход может использоваться для удаления дефектных генов или их замены другими генами. В последнем случае к комплексу прикрепляется ДНК-шаблон, который встает на место вырезанного участка. Каждый из сегментов РНК может быть ориентирован на различные последовательности нуклеотидов.

Методика отличается высокой точностью: если есть хотя бы одно отличие между РНК последовательностью и последовательностью генома, Cas9 не активируется.Кроме того, новая технология намного дешевле, чем система с цинковыми пальцами или с нуклеазами TALENs. Исследователи разместили необходимые генетические компоненты в некоммерческой организации Addgene, и теперь ими смогут воспользоваться все ученые. Кроме того, команда Фэн Чжана создала специальный веб-сайт, содержащий советы по работе с новой системой. Ученые уверены, что точное редактирование генома позволит быстрее и проще создавать различные инженерные организмы для производства биотоплива. Кроме того, методика обладает большим потенциалом для разработки новых способов лечения тяжелых заболеваний.