Ученые разработали новую систему генетического редактирования CRISPR

Биоинженеры перепрофилировали систему CRISPR, чтобы сделать уменьшенную версию инструмента геномной инженерии. По их словам, небольшой размер обновленного CRISPR должен облегчить доставку в клетки, ткани и организм человека для генной терапии.

Работа ученых была опубликована в Molecular Cell.

Общая аналогия редактирования генов CRISPR заключается в том, что оно работает как молекулярные ножницы, вырезая избранные участки ДНК  Стэнли Ци, доцент кафедры биоинженерии в Стэнфордском университете, любит эту аналогию, но считает, что пора переосмыслить CRISPR как швейцарский армейский нож.

«CRISPR может быть таким же простым, как резак, или более продвинутым, как регулятор, редактор или имидж-сканер. Многие приложения появляются в этой захватывающей области», - сказал Ци, который также является доцентом кафедры химической и системной биологии Стэнфордской школы медицины и стипендиатом Стэнфордского института ChEM-H.

Однако множество различных систем CRISPR, которые используются или проходят клинические испытания для генной терапии заболеваний глаз, печени и мозга, по-прежнему ограничены в своих возможностях, потому что все они страдают одним и тем же недостатком: они слишком велики и, следовательно, слишком сложно доставить в клетки, ткани или живые организмы.

В статье Ци и его сотрудники объявляют о том, что, по их мнению, является важным шагом вперед для CRISPR: эффективная, многоцелевая мини-система CRISPR. В то время как обычно используемые системы CRISPR - с такими названиями, как Cas9 и Cas12a, обозначающими различные версии белков, ассоциированных с CRISPR (Cas), - состоят примерно из 1000-1500 аминокислот, их «CasMINI» состоит из 529 аминокислот.

В ходе экспериментов исследователи подтвердили, что CasMINI может удалять, активировать и редактировать генетический код, как и его более мощные аналоги. Его меньший размер означает, что его будет легче доставлять в клетки человека и организм человека, что делает его потенциальным инструментом для лечения различных заболеваний, включая болезни глаз, дегенерацию органов и генетические заболевания в целом.

Чтобы сделать систему как можно меньше, исследователи решили начать с CRISPR-белка Cas12f (также известного как Cas14), поскольку он содержит всего около 400-700 аминокислот. Однако, как и другие белки CRISPR, Cas12f естественным образом происходит от архей - одноклеточных организмов, что означает, что он не очень хорошо подходит для клеток млекопитающих, не говоря уже о клетках человека. Известно, что только несколько белков CRISPR работают в клетках млекопитающих без модификации. К сожалению, CAS12f не входит в их число. Это создает заманчивую задачу для таких биоинженеров, как Ци.

«Мы подумали: «Хорошо, миллионы лет эволюции не смогли превратить эту систему CRISPR во что-то, что функционирует в человеческом теле. Можем ли мы изменить это всего за один или два года?»- сказал Ци. и добавил: «Насколько мне известно, мы впервые превратили неработающий CRISPR в рабочий».

Действительно, Сяошу Сюй, научный сотрудник лаборатории Ци и ведущий автор статьи, не обнаружил активности природного Cas12f в клетках человека. Сюй и Ци предположили, что проблема заключалась в том, что ДНК генома человека более сложна и менее доступна, чем ДНК микробов, что затрудняет обнаружение Cas12f своей мишени в клетках. Глядя на предсказанную с помощью вычислений структуру системы Cas12f, она тщательно выбрала около 40 мутаций в белке, которые потенциально могли бы обойти это ограничение, и создала конвейер для одновременного тестирования множества вариантов белка. Теоретически рабочий вариант мог бы превратить человеческую клетку в зеленый цвет, активируя зеленый флуоресцентный белок (GFP) в ее геноме.

«Сначала эта система вообще не работала в течение года. Но после итераций биоинженерии мы увидели, как некоторые искусственно созданные белки начали включаться, как по волшебству. Это заставило нас по-настоящему оценить силу синтетической биологии и биоинженерии», - сказал Сюй.

Первые успешные результаты были скромными, но они взволновали Сюй и воодушевили ее двигаться вперед, потому что это означало, что система работает. В ходе многих дополнительных итераций удалось еще больше улучшить характеристики белка.

«Мы начали с того, что увидели только две клетки, показывающие зеленый сигнал, а теперь, после разработки, почти каждая клетка под микроскопом становится зеленой», - сказал Сюй.

«В какой-то момент мне пришлось остановить ее. Я сказал: «Пока все хорошо. Вы сделали довольно хорошую систему. Мы должны подумать о том, как эту молекулу можно использовать для приложений», - вспоминает Ци. «

Помимо белковой инженерии, исследователи также создали РНК, которая направляет белок Cas к целевой ДНК. Модификации обоих компонентов имели решающее значение для работы системы CasMINI в клетках человека. Они протестировали способность CasMINI удалять и редактировать гены в лабораторных клетках человека, включая гены, связанные с ВИЧ-инфекцией, противоопухолевым иммунным ответом и анемией. Он работал почти со всеми протестированными генами, а в некоторых был получен устойчивый ответ.

Исследователи уже начали налаживать сотрудничество с другими учеными для разработки генной терапии. Их также интересует, как они могут внести свой вклад в развитие РНК-технологий - например, то, что было использовано для разработки мРНК - вакцин против COVID-19, - где размер также может быть ограничивающим фактором.

Ранее Курсор писал, что израильские ученые раскрыли загадку ДНК. Используя технологию оптического пинцета, исследователи Техниона смогли лучше понять плохо изученный процесс в ДНК, который влияет на экспрессию генов.

Курсор также сообщал, что ученые изобрели новый метод производства синтетической ДНК. Ученые разработали метод эффективного и автоматизированного производства ингредиентов для синтеза ДНК.

Стало известно, как клетки мозга восстанавливают свою ДНК. Нейронам не хватает способности реплицировать свою ДНК , поэтому они постоянно работают над восстановлением повреждений своего генома.

Ученые создали новый метод хранения информации в ДНК.

Ученые создали фрагмент ДНК, который уничтожает стволовые клетки рака. Началась уже первая фаза испытания препарата, чтобы оценить его безопасность и эффективность для людей.

По словам ученых, вакцины от коронавируса COVID-19 не изменяют ДНК человека.

Ученые нашли различия в ДНК пациентов, которые по-разному переносят COVID-19.

Курсор сообщал, что на картинах Леонардо да Винчи найдена человеческая ДНК.