В геномный редактор CRISPR/Cas9 встроили программируемый "выключатель"

Молекулярные биологи из США создали новую форму геномного редактора CRISPR/Cas9. Его структуру изменили так, что теперь его можно использовать для программируемого отключения и включения произвольных генов. Результаты исследования опубликовал научный журнал Cell.

"Теперь у нас есть инструмент, с помощью которого можно произвольно отключать подавляющее большинство генов. Мы можем делать это, не повреждая саму нить ДНК и сохраняя возможность отмены всех изменений", – рассказал один из авторов исследования, профессор Массачусетского технологического института Джонатан Вайссман.

Геномный редактор CRISPR/Cas9 открыли в начале 2010-х три группы генетиков, две из которых в 2020 году получили за это Нобелевскую премию по химии. С тех пор этот инструмент несколько раз модернизировали, благодаря чему его можно использовать для "точечного" редактирования генома почти со стопроцентной точностью.

CRISPR/Cas9 представляет собой своеобразный генетический "антивирус", который бактерии используют, чтобы найти в своем геноме вирусную ДНК и вырезать ее. Ключевая часть редактора – белок Cas9, который использует короткие РНК-шаблоны, чтобы распознавать и удалять определенные последовательности нуклеотидов внутри ДНК микроба или уничтожать копии вирусной РНК.

Он отличается простотой и высокой точностью редактирования. Однако у CRISPR/Cas9 есть один большой недостаток – его нельзя избирательно включать или выключать в произвольных клетках. Вайссман и его коллеги решили эту проблему.

Они поменяли то, какую именно часть двойной спирали ДНК пытается изменить белок Cas9. Структуру его молекулы ученые модифицировали так, что этот фермент начал не вырезать участки генома, которые совпадали по структуре с шаблоном РНК, а наносить на них так называемые эпигенетические метки.

Так ученые называют короткие молекулы, которые клетка может присоединять к нити ДНК или к ее белковой оболочке. Благодаря этому меняется характер считывания этого сегмента генома. Это позволяет живым организмам гибко управлять активностью генов в ответ на изменения внешней среды, не меняя при этом структуры генома.

Биологи создали две новых формы Cas9 – CRISPRoff и CRISPRon. Первая с помощью РНК-шаблонов наносит эпигенетические метки и подавляет работу генов, а вторая удаляет их. После долгой череды проб и ошибок ученые подобрали такую структуру этих ферментов, чтобы порожденные ими изменения не только сохранялись на протяжении всей жизни клетки, но и передавались по наследству.

Работу новой версии редактора ученые проверили на стволовых клетках. Биологи отключали в них произвольные гены и заставляя их превращаться в нейроны и другие типы "взрослых" клеток. Опыты показали, что в результате трансформации стволовых клеток ранее отключенный ген не включился повторно. Это подтвердило, что благодаря новой версии CRISPR/Cas9 можно надежно включать и отключать отдельные участки ДНК.

По словам Вайссмана и его коллег, их разработку можно использовать не только для изучения свойств генов, но и для лечения болезней, связанных со сбоями в работе отдельных участков ДНК. В частности, ученые уже провели опыты по отключению гена MAPT, мутации в котором предположительно приводят к развитию болезни Альцгеймера. Это дает надежду на создание генной терапии, которая защитила бы пожилых людей от развития старческой деменции, подытожили исследователи.