Ученые создали первый полноценный "корректор" одиночных мутаций в ДНК
Генетики из Гарварда и MIT создали необычную систему редактирования генома, которая позволяет произвольно менять один тип генетических "букв" на другой и чинить мутации в ДНК, не разрывая ее при этом на части, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature.
"Мы создали редактор "букв" ДНК, молекулярную машину, которая может очень гибко и бесповоротно менять структуру нуклеотидов и исправлять мутации в ДНК клеток. Подобная система позволяет нам ликвидировать "опечатки" в человеческом геноме, связанные с развитием определенных болезней", - заявил Дэвид Лиу (David Liu) из Гарвардского университета (США).
За последние годы ученые создали или нашли в природе несколько десятков новых систем редактирования генома, которые позволяют с очень высокой точностью "вырезать" поврежденные сегменты ДНК и заменять их на правильные последовательности генетических "букв"-нуклеотидов.
Главным недостатком всех этих систем, как пишут ученые, являлось то, что CRISPR/Cas9 и его конкуренты позволяют редактировать и удалять или вставлять участки ДНК длиной в несколько десяток "букв". Подобный "блоковый" характер редактирования не мешает опытам по созданию новых трансгенных организмов, но он избыточен и даже вреден для медицинских целей - зачастую исправление того или иного гена требует точечного удаления или замены всего одной "буквы".
Кроме того, удаление мутаций при помощи CRISPR и прочих систем редактирования генома неизбежно приводит к тому, что вся цепочка ДНК разрывается и затем повторно соединяется, что в некоторых случаях может привести к появлению новых мутаций и к фатальным повреждениям генома, что заставит "редактируемые" клетки самоликвидироваться.
Лиу и его коллеги уже несколько лет работают над решением всех этих проблем, используя принципиально иной подход к редактированию генома - они не пытаются "вырезать" мутацию и "вставить" правильный сегмент ДНК, а ищут способы превращения одного типа генетических букв в другой.
В прошлом году они сделали первый шаг к реализации этой задачи, создав набор синтетических ферментов, которые могут превращать цитозин в тимин, и аденин в гуанин. Для этого они склеили поврежденную версию белка Cas9, способную распознавать, но не вырезать "мутантную" ДНК, и особую последовательность аминокислот, меняющую структуру азотистых оснований в "буквах" ДНК.
Обратную реакцию, в силу химических различий между аденином и гуанином, осуществить заметно сложнее - природных ферментов, осуществляющих подобную реакцию, просто не существует, или же они работают только с молекулами РНК и только внутри бактериальных клеток.
По этой причине ученым пришлось фактически с нуля разработать достаточно сложную и многоступенчатую реакцию и связанные с ней ферменты, в ходе которой аденин преобразовался в другой нуклеотид, инозин, и только после этого он превращался в гуанин. Затем клетка самостоятельно заменяла тимин на цитозин, обнаружив "опечатку" в спирали ДНК.
Работу этой системы редактирования "букв" ученые проверяли оригинальным образом - они вывели особый штамм "супербактерий", который был неуязвим к действию хлорамфеникола, антибиотика широкого спектра действия, и внесли одиночную опечатку в ген, отвечавший за эту способность, заменив одну пару "букв" Г и Ц на А и Т.
Вводя в такие клетки различные версии "редактора" нуклеотидов, ученые обрабатывали микробов антибиотиком и наблюдали за тем, погибнут они или нет. Если редактор сработал, то тогда микробы должны повторно стать неуязвимыми к действию хлорамфеникола, что сразу будет очевидно для любого человека, наблюдающего за микробами.
Подобный подход позволил биологам "вывести" такую версию "корректора" ДНК, точность работы которой составляет практически 100% - по подсчетам ученых, она внесла лишь небольшое число опечаток в гены человеческих раковых клеток, на которых впоследствии экспериментировали Лиу и его команда.
По словам генетика, его команда уже разработала несколько экспериментальных терапий, которые исправляют "опечатки", связанные с развитием серповидноклеточной анемии, и гемохроматозом, наследственной болезнью, приводящей к накоплению железа в тканях и органах человека. Как надеются ученые, их разработка поможет победить примерно 65% всех наследственных болезней, существующих сегодня.
