Инструмент, который уже произвел революцию в исследованиях болезней, вскоре может стать еще лучше благодаря случайному открытию бактерий, которые вызывают многие из самых тяжелых случаев менингита.
Названный CRISPR-Cas9, инструмент действует как молекулярные ножницы, способные разрезать ДНК именно в том месте, где его просят. Но он не может разрезать другой вид генетического материала, находящийся в клетках, называемый РНК.
Теперь исследователи из Мичиганского университета обнаружили единственный белок, который может выполнять точное программируемое разрезание ДНК и РНК в стиле CRISPR. Этот белок является одним из первых нескольких белков Cas9, которые работают с обоими типами генетического материала без искусственных вспомогательных компонентов.
Их первоначальное биохимическое исследование в лабораторных пробирках, опубликованное в журнале Molecular Cell, показывает перспективность нового подхода CRISPR с использованием белка под названием NmeCas9. Он получен из Neisseria meningitidis, бактерии, которая ежегодно вызывает одни из самых тяжелых и смертельных случаев менингита.
Теперь команда работает над тестированием инструмента на живых бактериальных клетках, чтобы увидеть, достигает ли NmeCas9 того же эффекта, который они наблюдали в пробирках. Они надеются в конечном итоге перейти к человеческим клеткам. Если это сработает, NmeCas9 может помочь расширить роль CRISPR в изучении и, возможно, вмешательстве при многих заболеваниях.
«Тот факт, что наш белок выполняет двойную функцию - способен нацеливаться как на ДНК, так и на РНК, - дает нам возможность разрабатывать платформы для двойного нацеливания», - говорит Ян Чжан, доктор философии. Д., доцент кафедры биологической химии UM, руководивший исследовательской группой. «Это может сделать возможным выполнять CRISPR-разрезание как РНК, так и ДНК одновременно или, альтернативно, только одноцепочечной матричной РНК, вообще не затрагивая участки генома».
В клетках ДНК, содержащаяся в хромосомах, действует как постоянная энциклопедия инструкций по созданию всего, что нужно клетке. Но для того, чтобы что-то сделать, клеткам нужна РНК, транскрибированная с хромосом.
Одной из наиболее важных функций РНК в клетках является «фотокопирование» участков ДНК, чтобы машины внутри клетки могли читать инструкции и производить белки. Многие заболевания возникают из-за проблем с клеточными РНК.
Чжан и соавторы Бет А. Руссо и Чжунган Хоу, доктор философии, разработали и протестировали белок NmeCas9 в своей лаборатории Медицинской школы Университета Мексики.
Волшебные ножницы
Техника CRISPR «ножницы» изменила исследования всего за пять лет. Это позволило сотням групп ученых вырезать участки хромосомы, которые мутировали, или посмотреть, что происходит, когда определенного гена нет.
Чтобы понять CRISPR простыми словами, представьте ножницы, у которых одна сторона молнии прикреплена к кончику лезвия. Чтобы разрезать участок ДНК точно в нужном месте, застежка-молния должна точно совпадать с участком ДНК, ведущим к этому участку, образуя прочную связь, которая помещает ножницы в нужное место.
В CRISPR «молния» сделана из специально разработанной РНК, а эффект «ножниц» достигается за счет использования естественного режущего действия белка или фермента, называемого Cas9. Революция CRISPR позволила разработать уникальные РНК-молнии, которые могут прикрепляться к определенным генам, играющим роль в заболевании, и обрезать их.
Первые клинические испытания на людях с использованием CRISPR для вырезания дефектного участка ДНК, как сообщается, проводятся в Китае, и готовятся начаться в США. мутации можно изменить с помощью CRISPR, хотя существуют разногласия по поводу этических последствий этой практики, известной как «редактирование зародышевой линии»."
Двусторонние ножницы - случайно
Новая техника, разработанная Чжан и ее командой, направлена на создание пары универсальных генетических ножниц. И, поскольку NmeCas9 является гораздо меньшим белком, чем другие белки Cas9, используемые при редактировании CRISPR, они надеются, что он будет более полезным.
Открытие NmeCas9 произошло случайно, когда команда изучала основную функцию белка NmeCas9 в разрезании ДНК. Команда UM использовала РНК в качестве сравнения или контрольного образца, но заметила, что он тоже сокращается.
Копнув глубже, они обнаружили двойную режущую функцию NmeCas9 и начали ее биохимическое тестирование.
В дополнение к их открытию, они знают, что две другие группы либо готовятся сообщить, либо только что сообщили о белках Cas9 из других бактерий, которые могут осуществлять нацеливание на РНК без каких-либо стимулирующих кофакторов, в отличие от предыдущих РНК- редактирование методов CRISPR-Cas9.
«Если NmeCas9 работает в живых клетках так же, как и in vitro, мы можем разработать его как инструмент для редактирования транскрипта информационной РНК, что означает, что мы сможем блокировать продукт гена, не манипулируя самим геном», говорит Чжан. «Мы также могли бы использовать его в качестве исследовательского инструмента для доставки флуоресцентных маркеров к определенным последовательностям РНК или для блокировки событий, таких как сплайсинг РНК. Все, что было достигнуто с помощью CRISPR Cas9 для управления хромосомами, мы могли бы сделать в уровень РНК."