Биологи из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали первый в мире подход, основанный на CRISPR/Cas9, для контроля генетической наследственности у млекопитающих.
Ученые по всему миру используют CRISPR/Cas9 у различных видов растений и животных для редактирования генетической информации. Один подход к редактированию генома может контролировать, какая из двух копий гена будет передана следующему поколению. Хотя такие подходы «активной генетики» были разработаны в последние годы для насекомых, создание таких инструментов у млекопитающих является более сложной задачей, а их тестирование занимает гораздо больше времени из-за более длительного времени между поколениями.
Публикуя свою работу 23 января в журнале Nature, совместная группа исследователей Калифорнийского университета в Сан-Диего разработала новую активную генетическую технологию на мышах. Достижение аспиранта Калифорнийского университета в Сан-Диего Ханны Грюнвальд, ассистента-исследователя Валентино Ганца и коллег во главе с ассистентом профессора Кимберли Купер заложило основу для дальнейших достижений на основе этой технологии, включая биомедицинские исследования болезней человека.
«Нашей мотивацией было разработать это как инструмент для лабораторных исследователей, чтобы контролировать наследование нескольких генов у мышей», - сказал Купер. «При дальнейшем развитии мы думаем, что можно будет создавать животные модели сложных генетических заболеваний человека, таких как артрит и рак, которые в настоящее время невозможны."
Чтобы продемонстрировать осуществимость на мышах, исследователи встроили активный генетический элемент ДНК «CopyCat» в ген тирозиназы, который контролирует цвет меха. Когда элемент CopyCat разрушает обе копии гена у мыши, мех, который должен был быть черным, вместо этого становится белым, что является очевидным свидетельством успеха их подхода. Элемент CopyCat также был разработан таким образом, что он не может распространяться в популяции сам по себе, в отличие от систем «генного драйва» CRISPR/Cas9 у насекомых, построенных на аналогичном базовом молекулярном механизме.
В течение двухлетнего периода исследователи использовали различные стратегии, чтобы определить, что элемент CopyCat может быть скопирован с одной хромосомы на другую, чтобы восстановить разрыв в ДНК, на который нацелен CRISPR/Cas9. В результате элемент, который изначально присутствовал только на одной из двух хромосом, скопировался на другую хромосому. В одной из семей целых 86 процентов потомков унаследовали элемент CopyCat от родителя-женщины вместо обычных 50 процентов.
Новый подход работал у самок мышей во время производства яиц, но не во время производства спермы у самцов. Возможно, это связано с разницей во времени мужского и женского мейоза - процесса, который обычно связывает хромосомы для перетасовки генома и может способствовать этому сконструированному событию копирования.
По словам профессора Калифорнийского университета в Сан-Диего Итана Бира, соавтора исследования, результаты «открывают путь для различных приложений в синтетической биологии, включая модульную сборку сложных генетических систем для изучения разнообразных биологических процессов».
Купер и сотрудники ее лаборатории в настоящее время готовятся к этому первому успеху активной генетики млекопитающих, основанному на одном гене, и пытаются расширить этот инструмент на несколько генов и признаков.
Мы показали, что можем преобразовать один генотип из гетерозиготного в гомозиготный. Теперь мы хотим посмотреть, сможем ли мы эффективно контролировать наследование трех генов у животного. Если это можно будет реализовать для нескольких генов одновременно, это может произвести революцию в генетике мышей», - сказал Купер.
Хотя новая технология была разработана для лабораторных исследований, некоторые предполагали, что будущие генные драйвы будут основываться на этом подходе в дикой природе для усилий по восстановлению баланса естественного биоразнообразия в экосистемах, наводненных инвазивными видами, включая грызунов.
«С дополнительными улучшениями должна быть возможность разработать технологии генного привода для изменения или, возможно, сокращения популяций млекопитающих, которые являются переносчиками болезней или наносят ущерб местным видам», - сказал Бир.
Однако эти данные также указывают на то, что технические улучшения, необходимые для практического использования в дикой природе, дают время для тщательного рассмотрения того, какие приложения этой новой технологии могут и должны быть реализованы. Однако исследователи отмечают, что их результаты демонстрируют значительный прогресс, который уже может сократить время, стоимость и количество животных, необходимых для продвижения биомедицинских исследований болезней человека и понимания других типов сложных генетических признаков.
«Мы также заинтересованы в понимании механизмов эволюции», - сказал Купер. «Для определенных признаков, которые развились в течение десятков миллионов лет, количество генетических изменений больше, чем мы можем в настоящее время собрать у мышей, чтобы понять, например, почему пальцы летучих мышей превратились в крылья. Поэтому мы хотим сделать много исследований. эти активные генетические инструменты, чтобы понять происхождение разнообразия млекопитающих».
Бывший научный сотрудник Калифорнийского университета в Сан-Диего Гуннар Поплавски (соавтор, в настоящее время работает в Национальном университете Сингапура) и научный сотрудник Сян-ру Сюй также внесли свой вклад в исследование.