В крупнейшем на сегодняшний день исследовании действия CRISPR был разработан метод предсказания точных мутаций, которые редактирование гена CRISPR-Cas9 может внести в клетку. Исследователи из Wellcome Sanger Institute отредактировали 40 000 различных фрагментов ДНК и проанализировали тысячу миллионов полученных последовательностей ДНК, чтобы выявить эффекты редактирования генов и разработать инструмент прогнозирования результатов с помощью машинного обучения. Это поможет исследователям, использующим CRISPR-Cas9, исследовать механизмы заболеваний и мишени для лекарств.
Как сообщается сегодня в журнале Nature Biotechnology (27 ноября), новый ресурс позволит ученым прогнозировать наилучшие последовательности, чтобы сделать редактирование генов CRISPR-Cas9 более надежным и, следовательно, более дешевым и эффективным.
CRISPR-Cas9 - это технология редактирования генов, которая позволяет исследователям разрезать ДНК в любом месте генома, создавать мутации и отключать определенные гены. Эта жизненно важная технология используется учеными всего мира для изучения того, какие гены важны для различных состояний, от рака до редких заболеваний. В настоящее время также проводятся терапевтические испытания для исправления вредных мутаций в генах людей.
Специальная направляющая РНК связывается с точной последовательностью ДНК-мишени, направляя «ножницы» Cas9 для разрезания ДНК в нужном месте. Однако трудно точно предсказать, какими будут окончательные мутации, поскольку дальнейшие изменения часто происходят, когда клетка восстанавливает разрыв, воссоединяя два разрезанных конца ДНК.
Чтобы изучить это, исследователи создали более 40 000 пар различных ДНК-мишеней и направляющих РНК, а также провели редактирование генов CRISPR-Cas9. Путем глубокого секвенирования каждой пары в разных клетках они смогли детально проанализировать, как ДНК разрезалась и воссоединялась. Они обнаружили, что репарация зависит от точной последовательности ДНК и проводника, и обнаружили, что она воспроизводима в пределах одной и той же последовательности.
Затем исследователи использовали огромное количество данных о последовательности для создания вычислительного инструмента машинного обучения, который создал общие правила для определения результата восстановления. Эта программа, названная FORECasT, позволила им предсказать восстановленную последовательность, используя только целевую последовательность ДНК.
Доктор Лука Крепальди, один из первых авторов исследования из Института Wellcome Sanger, сказал: «Мы провели крупнейшее и наиболее всестороннее исследование действия CRISPR-Cas9 на сегодняшний день и проанализировали более тысячи миллионов ДНК. последовательности, чтобы мы могли изучить процесс. Мы продемонстрировали, что определенные последовательности-мишени репарируются клеткой таким же образом, доказывая, что действие клеточных механизмов воспроизводимо».
Доктор Фелисити Аллен, соавтор из Института Wellcome Sanger, сказала: «Открытие воспроизводимой репарации ДНК после редактирования CRISPR-Cas9 в сочетании с огромным объемом данных о последовательностях, которые мы создали, означало, что мы могли создать инструмент прогнозирования с использованием методов машинного обучения. Наш ресурс может предсказать точные мутации, возникающие в результате редактирования гена CRISPR-Cas9, только по последовательности ДНК-мишени. Это сэкономит время и ресурсы для будущих приложений CRISPR-Cas9 и открыто доступно для использования всеми исследователями, использующими редактирование генов для изучения здоровья и болезней».
Доктор Леопольд Партс, старший автор статьи из Wellcome Sanger Institute, сказал: «CRISPR-Cas9 - чрезвычайно важная система для введения мутаций в ДНК для исследований и перспективных терапевтических целей. Наше исследование позволяет ученым намного лучше понять его работу, а наш трансформационный метод позволяет людям прогнозировать эффекты каждого изменения CRISPR-Cas9 в клетке. Это позволяет лучше планировать эксперименты по редактированию и может привести к будущим терапевтическим применениям».