Новый способ редактирования генома способен исправить 89% генетических ошибок, которые впоследствии могут вызвать заболевания, утверждают генетики из Гарварда. Статью, посвященную разработанному ими методу, исследователи опубликовали в журнале Nature.
Основная проблема распространенного сегодня метода редактирования генома CRISPR–Cas9 — частые ошибки и непреднамеренные эффекты. Для того, чтобы добиться лишь запланированных изменений в геноме, исследователи обратили внимание на обратную транскриптазу, фермент, участвующий в процессе образования ДНК на основе РНК. Новый метод ученые назвали первичным редактированием (prime editing).
В генной инженерии обратная транскриптаза используется для получения комплементарной ДНК — «зрелой» копии гена, не содержащей интронов, участков, которые есть в только-только образовавшейся ДНК.
CRISPR–Cas9 в ходе своей работы «разрезает» обе нити двойной спирали ДНК, вносит в ее структуру необходимые изменения и «склеивает» их обратно.
С помощью специально разработанной удлиненной гидовой РНК исследователи добились того, чтобы разрезанной была только одна нить.
Гидовая ДНК защищает нить ДНК, позволяя «расплести» нити и редактировать только одну из них.
Затем с помощью обратной транскриптазы формируется новый участок ДНК. Информация о том, каким он должен быть, хранится в той самой удлиненной РНК. В результате получаются две копии одного участка ДНК. Одну из них, как правило старую, разрушают внутриклеточные нуклеазы. Новая же «вшивается» на ее место.
В ДНК присутствуют четыре вида азотистых оснований, которые соединяются между собой по принципу комплементарности: аденин — с тимином, гуанин — с цитозином. После изменения одной из цепей этот принцип нарушается и репаративным белкам приходится расщепить одну из них и перестроить заново. Еще одна РНК, добавленная в систему, наводит Cas9 на необходимую цепь и он создает в ней разрывы. Тогда белки принимают ее за ошибочную и перестраивают по подобию уже измененной.
Исследователи проводят аналогию с работой в текстовом редакторе — сначала выполняется поиск необходимого фрагмента, затем он удаляется, а на его место вставляется новый.
«Первичное редактирование можно сравнить с текстовыми процессорами, способными искать необходимые последовательности и с точностью заменять их. Наш метод предлагает большую гибкость и высокую точность редактирования», — говорит доктор Дэвид Лью, один из авторов работы.
Исследователи протестировали свою разработку на нескольких типах человеческих клеток.
До 50% попыток оказывались успешны, CRISPR/Cas9 же в аналогичных экспериментах справлялся лишь в 10% случаев.
Частота ошибочных вставок или потерь участка хромосомы не превышала 10% в зависимости от типа клеток. В частности, в зрелых нейронах ошибки при использовании первичного редактирования возникали в 0,58% случаев. При использовании CRISPR/Cas9 — в 31%.
Культуры клеток удалось «вылечить» от болезни Тея — Сакса, при которой вскоре после рождения ребенок из-за нарушения работы нервной системы теряет зрение, слух, способность глотать, страдает от паралича и к четырем годам обычно погибает. Причина болезни — четыре дополнительных азотистых основания, от которых исследователям и удалось успешно избавиться.
Также они разделались с серповидной клеточной анемией и предрасположенностью к прионным инфекциям.
Существует около 75 тыс. мутаций, способных вызывать у людей различные заболевания. По оценкам Лью, первичное редактирование способно исправить 89% из них. Остальные случаи приходятся на нехватку целого гена или, наоборот, избыток его копий.
Пока что исследования нового метода только начинаются, но ученые уже весьма вдохновлены результатами.
«Первичное редактирование — это не конец, а лишь начало в попытках изменять ДНК в любой части клетки или организма, в том числе и для борьбы с генетическими заболеваниями», — говорит Лью.
Поскольку подавляющее большинство генетических заболеваний человека связано с типами мутаций, которые может исправить с помощью такого редактирования, мы надеемся, что этот метод будет полезен, — комментирует работу профессор Робин Ловелл-Бэдж из Института Фрэнсиса Крика. — Разумеется, потребуется гораздо больше работы для оптимизации метода, прежде чем его можно будет использовать в клинической практике для лечения пациентов, но он, безусловно, выглядит многообещающе».