Исследователи из Стэнфордского университета переработали технологию редактирования генов CRISPR-Cas9, чтобы манипулировать геномом в трехмерном пространстве, что позволяет им переправлять генетические фрагменты в разные места клеточного ядра.
Новый метод, получивший название CRISPR-организация генома или просто CRISPR-GO, использует модифицированный белок CRISPR для реорганизации генома в трех измерениях. Если CRISPR подобен молекулярным ножницам, то CRISPR-GO подобен молекулярному пинцету, который захватывает определенные фрагменты генома и вонзает их в новые места ядра. Но это больше, чем просто физическое перемещение: перемещение генетических элементов может изменить их функционирование.
Исследование проливает новый свет на то, как пространственная организация генома в ядре управляет функцией клетки в целом.
«Вопрос о том, почему пространственная организация в клетке имеет значение, является важным, и ученые не согласны с ним», - сказал Стэнли Ци, доктор философии, доцент кафедры биоинженерии, химической и системной биологии. «CRISPR-GO может предоставить возможность ответить на этот вопрос, позволив нам нацеливаться, перемещать и перемещать очень специфические участки ДНК и наблюдать, как их новое расположение в ядре меняет их функционирование».
Большинство клеток млекопитающих содержат ядро, которое содержит более 6 футов ДНК, если вытянуть их в линию. Этот генетический материал определяет судьбу клеток и, если он не на своем месте или поврежден, может привести к заболеванию. Предыдущие исследования показали, что ДНК имеет тенденцию слипаться в определенных областях ядра. Однако до сих пор неясно, как это расположение влияет на функцию ДНК.
В экспериментальном исследовании Ци исследовал три различных субрегиона ядра с помощью CRISPR-GO, проверяя общую гипотезу: ведут ли себя гены и другие генетические элементы по-разному в разных зонах ядра?
На данный момент их данные показывают, что определенные компартменты и некоторые свободно плавающие тела белков в ядре могут влиять на функцию репозиционированной ДНК. В зависимости от того, где находится генетический материал, некоторые области ядра подавляют экспрессию генов, а некоторые ускоряют рост теломер и, следовательно, деление клеток. Одно белковое тело может даже подавлять образование опухолей.
Подробное исследование этого исследования будет опубликовано в Интернете 11 октября в журнале Cell. Ци - старший автор. Постдокторант Хайфэн Ван, доктор философии, является ведущим автором.
Преодоление разрыва
Демистификация физических деталей генома оказалась утомительной задачей, но есть некоторые существующие технологии, которые позволяют ученым заглянуть в клетки и увидеть, как физически организованы их кишки. Чего не хватало, так это способа вмешаться в эту организацию. CRISPR-GO первым предложил исследователям средства для этого.
Выводя из эксплуатации «режущий» механизм CRISPR-Cas9, инструмент редактирования становится скорее системой доставки, которую Qi использовал для доставки небольших участков ДНК через программируемую направляющую РНК в новое место в ядре.
CRISPR-GO состоит из трех основных частей. Во-первых, это то, что Ци называет «адресом» генетической мишени, которую вы хотите переместить, - участка ДНК, на который нацелена комплементарная цепь связывающей РНК. Затем вам нужен адрес назначения - конкретная часть ДНК в ядерном компартменте, в которую вы хотите переместить хроматин. Наконец, есть «мост», который в данном случае является катализатором, запускающим застывание ДНК-мишени в ее новом доме в ядре.
«Дети часто любят строить маленькие железные дороги, чтобы поезда могли добраться от одной станции до другой», - сказал Ци. «Это не так уж отличается от того, что мы делаем здесь».
Другая комната, другая функция
Ци описывает функции ядерных отсеков, как пространство дома. В каждой комнате вашего дома вы делаете разные вещи - на кухне вы готовите; в спальне ты спишь. В ядре клетки применяется та же концепция. В ядре есть несколько компартментов, каждый из которых играет определенную роль в поддержании функциональности клетки в целом. Ци и его лаборатория исследовали три отдельные области ядра, проверяя, могут ли они как-то изменить функцию хроматина в зависимости от того, куда они его переместили.
Используя CRISPR-GO, исследователи обнаружили, что гены, перемещенные в часть ядра, называемую тельцем Кахаля, аморфным и несколько загадочным скоплением белков и РНК, перестали экспрессировать белки.
«Мы были очень взволнованы, увидев это; впервые у исследователей есть доказательства того, что тело Кахаля может иметь прямой эффект регуляции генов, в данном случае подавляя экспрессию генов», - сказал Ци.«Это предполагает, что тело Кахаля играет неожиданную роль в контроле транскрипции». Это может иметь большое значение, поскольку транскрипция - важный процесс, который синтезирует «код» для производства белка.
Когда Ци использовал CRISPR-GO для перемещения ДНК теломер - молекулярных колпачков хромосом, связанных с долголетием, - из середины ядра к краю, теломеры перестали расти, остановив клеточный цикл и уменьшив Жизнеспособность клеток. Однако, когда теломеры были перемещены ближе к телу Кахаля, произошло обратное: они выросли и, таким образом, повысили жизнеспособность клеток.
Третье приложение использовало CRISPR-GO для формирования тела промиелоцитарного лейкоза. Известно, что этот комок белков подавляет проопухолевые гены. Поместив его рядом с вызывающими рак генами в ядре, Ци планирует проверить, может ли он помочь обуздать образование опухолей.
«Еще одно уникальное преимущество CRISPR-GO заключается в том, что мы можем отслеживать взаимодействие между хроматиновой ДНК и ядерными компартментами в режиме реального времени под микроскопом», - сказал Ван.
Хотя доказательства, представленные CRISPR-GO, впечатляют, исследование все еще находится на экспериментальной стадии, и предстоит еще много работы, прежде чем результаты будут подтверждены, сказал Ци.
"Мы очень рады потенциалу здесь, и, хотя мы ответили на пару вопросов, мы открыли еще около 20", - сказал Ци.
Будет еще важнее понять, почему эти зависящие от местоположения эффекты имеют место в определенных ядерных отсеках, и какова основная причина, сказал он. Ци надеется, что однажды это направление исследований будет иметь отношение к здоровью человека.