Редактирование генов с помощью ферментов CRISPR внутри живых клеток может стать более эффективным и точным после того, как исследователи из Техасского университета в Остине раскрыли, как внутренняя работа может помочь или помешать этому процессу.

Новые идеи содержатся в исследовании, опубликованном сегодня в журнале Science Advances.

Одна из проблем редактирования ДНК внутри живых клеток заключается в том, что в микроскопическом клеточном ядре содержится 2 метра ДНК—примерно эквивалент длины шеи жирафа информации, хранящейся в пространстве размером со спору пыльцы. Сложная организационная система плотных изгибов, обертываний и складок делает все это уместным.

Техника редактирования генов CRISPR обладает огромным потенциалом для улучшения здоровья человека, сельского хозяйства и будущего людей на планете, но проблемы заключаются в тонкой природе редактирования генов, где почти нет места для ошибок. Различные ферменты CRISPR выполняют редактирование генов, действуя как ножницы, разрезая целевые последовательности ДНК, чтобы вызвать удаление исходной последовательности или иногда добавление новой ДНК. Но в клетках живых существ целевая последовательность должна быть достигнута в этих плотно упакованных узлах ДНК, что представляет собой вызов.

Внутри клеток большая часть ДНК обернута вокруг белковых шариков, образуя структуры, называемые нуклеосомами. Нуклеосомы могут защитить ДНК от вредных воздействий окружающей среды, таких как радиация, но также представляют собой препятствие для редактирования генов. Соответствующий автор Рик Рассел и его команда обнаружили, что можно наиболее эффективно нацеливать последовательности ДНК в промежутках между нуклеосомами.

"Это важная информация, потому что она показывает нам области, на которые мы должны ориентироваться для редактирования", - сказала Изабель Штрохкендл, аспирант кафедры молекулярной биологии Университета Остина и ведущий автор статьи.

Не менее важно, что исследователи обнаружили, где редактирование генов с большей вероятностью пойдет наперекосяк, когда они экспериментировали с типом фермента CRISPR, известного как CRISPR-Cas12a.

"Мы действительно нашли доказательства того, что когда последовательность ДНК-мишени находится внутри нуклеосомы, фермент Cas12a с большей вероятностью редактирует подобную, но не идентичную последовательность в более доступных частях генома, чем последовательность-мишень внутри нуклеосомы", - сказал Рик Рассел, профессор молекулярной биологии.

С другой стороны, последовательности ДНК в промежутках между нуклеосомами оставались доступными даже в сильно конденсированной форме нуклеосом, напоминающей складки и изгибы ДНК, обнаруженные внутри клеток.

Задавшись целью выяснить, существует ли способ изменить структуру нуклеосом таким образом, чтобы получить доступ к целевым последовательностям внутри них, команда была одной из первых, кто использовал биохимические эксперименты (в отличие от косвенных экспериментов в клетках), чтобы прийти к ответу.

"Как только мы визуализировали трехмерную природу этих структур, мы смогли понять, что если мы нацеливаем фермент на одну сторону нуклеосомы, он может помешать контактам ДНК на другой стороне нуклеосомы", - сказал Штрокендль. "Эта стратегия потенциально обеспечивает некоторый доступ к этим сайтам."

Фатема А. Сайфуддин и Илья Финкельштейн из UT Austin, а также Брайан А. Гибсон и Майкл К. Розен из Юго-Западного медицинского центра Техасского университета также внес свой вклад в исследование. Финансирование исследований было предоставлено Национальными институтами здравоохранения, Фондом Уэлча и премией Фонда Аллена за выдающиеся исследования.

ИСТОЧНИК