Альтернативная система CRISPR может улучшить геномное редактирование

02.10.201512210

Метод генетического редактирования с помощью системы CRISPR/Cas9 произвел революцию в генетических исследованиях: ученые уже используют его для генной инженерии зерновых культур, домашнего скота и даже эмбрионов человека, и однажды метод проложит новые пути к лечению заболеваний.

Но сейчас один из пионеров данного метода полагает, что нашел способ сделать CRISPR еще проще и точнее. В статье, опубликованной в журнале Cell, исследовательская группа, возглавляемая специалистом по синтетической биологии Фенгом Жангом (Feng Zhang) из Института Брода (Broad Institute) в Кэмбридже (США), сообщает об открытии [1] белка Cpf1, который может преодолеть одно из нескольких ограничений системы CRISPR/Cas9. Несмотря на то, что система хорошо работает в нарушенных генах, их часто сложно редактировать, заменив одну последовательность ДНК другой.

Система CRISPR/Cas9 эволюционно возникла как способ защиты бактерий и архей от внедрения вирусов. Она обнаружена у широкого ряда организмов и использует фермент каспазу Cas9 для разрезания ДНК в местах, указанных РНК-гидом. Исследователи превратили CRISPR/Cas9 в молекулярно-биологическую машину, которая может использоваться и в других организмах. Разрезы, создаваемые ферментом, восстанавливаются естественным клеточным процессом репарации ДНК.

Хороший, лучше, самый лучший?

Метод CRISPR гораздо проще предыдущих методов генетического редактирования, но, по мнению Жанга, задел для улучшения еще есть.

Жанг и его коллеги исследовали царство бактерий, чтобы найти альтернативу ферменту Cas9, обычно используемому в лабораториях. В апреле 2015 г. они сообщили об обнаружении более маленькой версии Cas9 в золотистом стафилококке Staphylococcus aureus [2]. Небольшой размер позволяет ферменту легче переноситься в зрелые клетки – критически важное место назначения при потенциальной терапии.

Исследовательская группа также заинтересовалась Cpf1 – ферментом, значительно отличающимся от Cas9, но присутствующим у некоторых бактерий с CRISPR. Ученые проанализировали ферменты Cpf1 у 16 бактерий, обнаружив два, способных резать ДНК человека.

Кроме того, они выявили критические отличия в работе Cpf1 и Cas9. Последнему ферменту требуется две молекулы РНК, чтобы разрезать ДНК, а Cpf1 – только одна. Белки также режут ДНК в различных местах, оставляя исследователям больше места для выбора сайта редактирования.

Кроме того, Cpf1 делает надрезы в ДНК иначе. Cas9 режет обе нити молекулы в одном и том же месте, создавая «тупые» концы. Cpf1 же оставляет одну нить длиннее другой, формируя «липкие» концы. С тупыми концами работать нелегко: последовательность ДНК может, например, быть вставлена с другого конца, в то время как липкие концы сомкнутся только с комплементарными липкими концами.

«Липкие концы несут информацию, которая может направлять вставку ДНК. Они делают инсерцию более контролируемой», – говорит Жанг.

Группа Жанг сейчас использует липкие концы для повышения частоты, с которой исследователи смогут замещать естественные последовательности ДНК. Надрезы, оставляемые каспазой Cas9, стремятся восстановиться склеиванием двух концов вместе в ходе относительно небрежного процесса восстановления, который может оставлять ошибки. Жанг надеется, что уникальные особенности разрезания ДНК ферментом Cpf1 могут использоваться для повышения частоты правильных вставок.

Превзойдет ли новый фермент популярностью Cas9? «Слишком рано говорить об этом, – считает Жанг, – Он определенно обладает некоторыми преимуществами». Система CRISPR/Cas9 столь популярна и потенциально перспективна, что из-за нее разожглась жестокая патентная борьба между Калифорнийским Университетом в Беркли (University of California, Berkeley, США ) и Институтом Брода с его союзником Массачусетским Технологическим Институтом (Massachusetts Institute of Technology) в Кембридже (США). Жанг заявляет, что его лаборатория сделает компоненты CRISPR/Cpf1 доступными для академических исследователей, как это сделано для CRISPR/Cas9.
В настоящий момент полученные результаты являются свидетельством того, что исследователям еще предстоит узнать многое о геном-редактирующих системах, возникших в бактериях. «Это исследование демонстрирует, что существующее естественное разнообразие CRISPR систем богато потенциальными решениями проблем, возникающих при использовании геном-редактирующих агентов», – говорит Девид Лью (David Liu), биохимик из Гарвардского Университета (Harvard University, США). (Жанг и Лью являются научными консультантами компании Editas Medicine (США), разрабатывающей терапию на основе CRISPR.

Специалист по синтетической биологии Фенг Жанг уверен, что геномное редактирование может быть более эффективным.
(фото: Justin Knight Photography)

По материалам NatureNews

Оригинальная статья: Nature doi:10.1038/nature.2015.18432

Литература:
1. Zetsche, B. et al. Cell http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2015.09.038 (2015).
2. Ran, F. A. et al. Nature 520, 186–191 (2015).


Ваш комментарий:
Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Чтобы оставить комментарий, необходимо авторизоваться.
Вернуться к списку статей