В 2015 году биологи Калифорнийского университета в Сан-Диего Итан Бир и Валентино Ганц разработали прорывную технологию, известную как «активная генетика», в результате которой родители передают генетический признак большинству своих потомков (вместо 50 процентов, получающих признак при стандартном наследовании). Непосредственными целями активной генетики были системы генного привода для иммунизации комаров против трансмиссивных болезней, таких как малярия. Бир и Ганц также предложили использовать активную генетику для множества других потенциальных преимуществ для здоровья человека и сельского хозяйства.
Теперь Шеннон Сюй вместе с Ганцем и Биром используют CRISPR/Cas9 для редактирования регуляторных элементов генов в их родной геномной среде, раскрывая новые фундаментальные механизмы, контролирующие активность генов, как описано 6 февраля в eLife. Авторы также обеспечивают экспериментальную проверку использования активной генетики в качестве эффективного средства для целенаправленной вставки генов, или «трансгенеза», и одноэтапной замены элементов генетического контроля.
«Технические достижения, обеспечиваемые активной генетикой, представляют собой инновационный набор инструментов для создания организмов с новыми функциями, тем самым открывая новую эру достижений в синтетической биологии», - сказал Ганц.
Исследователи проанализировали генетический контроль гена, ответственного за координацию формирования простой структуры у дрозофилы - жилки крыла - во время ее развития. Цель анализа заключалась в том, чтобы понять механизмы, контролирующие активность генов в пространстве и времени, в результате чего жилка крыла надежно располагалась в правильном положении, и исследовать, как эта генетическая цепь развивалась у разных видов.
Среди своих выводов исследователи представили доказательства новой потенциальной формы взаимодействия между хромосомами, которая способствует контролю активности генов. Эти наблюдения поднимают интригующую возможность того, что подобные формы перекрестного общения между хромосомами могут встречаться и у других организмов и могут в конечном итоге определить потенциальные цели для эпигенетического вмешательства. Они также продемонстрировали значительные преимущества редактирования регуляторных последовательностей генов в их естественном местоположении, чтобы раскрыть новые функции, которые могут привести к лучшему пониманию того, как работают переключатели управления, чтобы включать и выключать гены в организме. Возможно, наиболее важно то, что эти исследования демонстрируют общую полезность активной генетики как платформы для создания новых организмов с новыми признаками.
«Эти достижения должны побудить других исследователей использовать активную генетику в широком спектре организмов, чтобы ускорить свои исследования», - сказал Сюй.
Эти знания могут в конечном итоге привести к биологическому дизайну, основанному на первых принципах. То есть получение знаний для создания организмов со специально разработанными новыми функциями», - сказал Бир, профессор и недавно назначенный обладатель звания профессора Тата-канцлера в области биологии клеток и биологии развития.
Исследователи также изучили активную генетику как инструмент нового поколения для трансгенеза. Так называемые клонирующие векторы «CopyCat» могут быть вставлены точно в геном в любом желаемом месте, а затем с высокой эффективностью скопированы из одной родительской хромосомы в другую, так что все потомство наследует элемент CopyCat. Исследователи говорят, что клонирование CopyCat «может значительно ускорить сборку сложных генетических штаммов животных или растений».
«Такие генно-инженерные манипуляции должны открыть новые направления исследований и инженерии животных и растений, недоступные при использовании современных технологий», - отмечают исследователи. Эти инновационные новые области биологических исследований соответствуют целям Пола Г. Allen Frontiers Group, которая в 2016 году назвала профессора Бира выдающимся исследователем Аллена.
Активная генетика также является технологией, движущей силой нового Института генетики и общества Tata. Основанный в Калифорнийском университете в Сан-Диего и Индийском институте стволовой биологии и регенеративной медицины, институт был основан с миссией продвигать глобальную науку и технологии с помощью социально сознательных средств и разрабатывать решения для некоторых из самых насущных мировых проблем, от общественного здравоохранения до сельского хозяйства.
Наталья Сёмава из Гёттингенского университета Георга-Августа в Германии также является соавтором статьи.