Система редактирования генома CRISPR стала чрезвычайно важным инструментом в медицинских исследованиях и в конечном итоге может оказать значительное влияние на такие области, как сельское хозяйство, биоэнергетика и продовольственная безопасность.
Система наведения может перемещаться в разные точки генома, руководствуясь короткой последовательностью РНК, где фермент, разрезающий ДНК, известный как Cas9, затем вносит нужные изменения.
Однако, несмотря на значительный успех инструмента для редактирования генов, CRISPR-Cas9 остается ограниченным в количестве мест, которые он может посетить в геноме.
Это потому, что CRISPR нужна определенная последовательность, фланкирующая целевое место в геноме, известная как мотив, примыкающий к протоспейсеру, или PAM, чтобы он мог распознать сайт.
Например, наиболее широко используемый фермент Cas9, Streptococcus pyogenes Cas9 (SpCas9), требует двух нуклеотидов G в качестве последовательности PAM, что значительно ограничивает количество участков, на которые он может воздействовать, примерно до 9,9% участков генома..
На данный момент существует лишь несколько ферментов CRISPR с минимальными требованиями к PAM, что означает, что они могут работать в более широком диапазоне мест.
Теперь исследователи из MIT Media Lab под руководством Джозефа Джейкобсона, профессора медиаискусства и науки и главы исследовательской группы Molecular Machines, обнаружили фермент Cas9, который может воздействовать почти на половину участков генома., что значительно расширяет возможности его использования. Они сообщают о своих открытиях в журнале Science Advances.
«CRISPR похож на очень точную и эффективную почтовую систему, которая может очень точно доставить вас туда, куда вы хотите, но только если почтовый индекс заканчивается нулем», - говорит Джейкобсон. «Поэтому это очень точно и конкретно, но сильно ограничивает вас в количестве мест, в которые вы можете попасть».
Чтобы разработать более общую систему CRISPR, исследователи внедрили вычислительные алгоритмы для проведения биоинформатического поиска бактериальных последовательностей, чтобы определить, существуют ли какие-либо аналогичные ферменты с менее строгими требованиями PAM.
Для проведения поиска исследователи разработали программный инструмент для анализа данных, который они назвали SPAMALOT (Search for PAMs by Alignment of Targets).
Это выявило ряд интересных возможных ферментов, но не явного победителя. Затем команда создала синтетические версии CRISPR в лаборатории, чтобы оценить их эффективность.
Они обнаружили, что наиболее успешный фермент, Cas9 из Streptococcus canis (ScCas9), поразительно похож на уже широко используемый фермент Cas9, по словам соавтора Пранама Чаттерджи, аспиранта Media Lab, который проводил исследование вместе с другим аспирантом Ноем Джакимо.
«Фермент выглядит почти так же, как тот, который был открыт изначально… но он способен нацеливаться на последовательности ДНК, которые не может использовать обычно используемый фермент», - говорит Чаттерджи.
Вместо двух нуклеотидов G в качестве последовательности PAM новому ферменту требуется всего один G, что открывает гораздо больше мест в геноме.
Это должно позволить CRISPR нацеливаться на многие специфичные для заболевания мутации, которые ранее были вне досягаемости системы.
Например, длина типичного гена составляет около 1000 оснований, что дает исследователям несколько различных мест для нацеливания, если их цель состоит в том, чтобы просто отключить весь ген, говорит Якобсон.
Однако многие заболевания, такие как серповидноклеточная анемия, вызваны мутацией одного основания, что делает их гораздо более трудными для лечения.
Редактирование базы - это не просто попадание этого гена в любое место из 1000 баз и удаление его; это вопрос входа и очень точного исправления той единственной базы, которую вы хочу измениться», - говорит Джейкобсон.
Вы должны быть в состоянии пойти в это самое точное место, поместить часть механизма CRISPR прямо рядом с ним, а затем с базовым редактором - другим белком, прикрепленным к CRISPR - пойти и отремонтировать или изменить базу», - говорит он.
Новый инструмент CRISPR может быть особенно полезен в таких случаях.
«Мы рады передать ScCas9 в руки сообщества редактирования генома и получить их отзывы для дальнейшего развития», - говорит Чаттерджи.
По словам Джейкобсона, теперь исследователи надеются использовать свою технику для поиска других ферментов, которые могли бы еще больше расширить диапазон действия системы CRISPR без снижения ее точности.
«Мы уверены, что сможем найти каждый адрес в геноме», - говорит он.