Учёные разработали метод отключения редактора ДНК

Американские ученые нашли способ выключать систему редактирования генома CRISPR/Cas9 с помощью белков-антагонистов, обнаруженных в геноме вирусов-бактериофагов. Эта технология позволит повысить точность и безопасность системы CRISPR. Статья опубликована в журнале Cell.

Система редактирования генома CRISPR/Cas9, разработанная в 2012 году, позволяет направленно редактировать ДНК организма, не затрагивая остальные участки генома. Эндонуклеазы Cas9 разрезают ДНК в нужных участках, комплементарных «шаблону» РНК-гида, после чего собственные системы репарации клетки сшивают концы ДНК. Поскольку при репарации клетка обычно использует неповрежденный образец гомологичной ДНК из другой хромосомы, то ученые могут внести изменения в геном, подменив этот «эталон» на любую нужную последовательность.

Система CRISPR/Cas9 основана на системе бактериального противовирусного иммунитета. Такой иммунитет позволяет бактериям находить фрагменты ДНК вируса в своей «картотеке» CRISPR (она расположена в определенном участке генома бактерии), и уничтожать вирусную ДНК с помощью нуклеазы. У бактерий существует несколько типов системы CRISPR и несколько нуклеаз, однако для целей редактирования генома в биоинженерии чаще всего используется нуклеаза Cas9. В свою очередь, вирусы-бактериофаги, от которых бактерии защищаются с помощью таких систем иммунитета, вырабатывают белки, блокирующие эти системы. Однако белки, блокирующие именно систему CRISPR/Cas9, до сих пор обнаружены не были.

Для поиска таких белков авторы новой статьи сосредоточились на анализе профагов — участков генома вируса-бактериофага, интегрированных в геном бактериальных клеток. Идея заключалась в том, что если бактериофагу удалось встроить свои гены в бактериальный геном, обойдя систему защиты CRISPR/Cas9, то это значит, что у вирусы есть способы блокировки этой системы.

Проанализировав около 30 штаммов бактерий Listeria monocytogenes, использующий систему CRISPR/Cas9, ученые обнаружили в их профагах гены четырех типов белков, блокирующих эту систему. Как показали эксперименты с использованием клеток Escherichia coli и клеток человека, два из этих белков, названные AcrIIA2 и AcrIIA4, эффективно блокировали нуклеазу Cas9 бактерии Streptococcus pyogenes (именно она чаще всего используется в биоинженерии).

Обнаруженные ингибиторы позволят повысить точность CRISPR/Cas9, включая и выключая ее в нужное время и регулируя ее активность в разных участках генома или в разных тканях. Также применение белков-ингибиторов сможет сделать систему CRISPR/Cas9 более безопасной: в том случае, если что-то пойдет не так, ее активность можно будет заблокировать.

Технология CRISPR/Cas9 активно испытывается для лечения многих генетических заболеваний. Так, ее испытывали, например, для лечения бета-талассемии на эмбрионах человека, удаления генов ВИЧ из зараженных лимфоцитов и лечения серповидно-клеточной анемии. Кроме того, недавно ученые разработали новую систему CRISPR, действующую на уровне РНК, а не ДНК, и способную специфически уничтожать нужную РНК с помощью РНК-гида.