За последние несколько лет CRISPR-Cas9 вышел за пределы лабораторного стола и стал частью общественной жизни. Этот инструмент редактирования генов CRISPR-Cas9 обещает исправлять дефекты внутри отдельных клеток и потенциально излечивать или предотвращать многие болезни человека. Но система Cas9 изменяет ДНК, а не РНК, и некоторые эксперты считают, что способность модифицировать РНК в конечном итоге может оказаться столь же полезной.
Теперь ученые из Института Солка впервые сообщают о подробной молекулярной структуре CRISPR-Cas13d, многообещающего фермента для новой технологии редактирования РНК. Они смогли визуализировать фермент благодаря криоэлектронной микроскопии (крио-ЭМ), передовой технологии, которая позволяет исследователям фиксировать структуру сложных молекул в беспрецедентных деталях. Результаты были опубликованы 20 сентября 2018 года в журнале Cell..
«Эта статья представляет собой молекулярный план генной инженерии, нацеленной на РНК», - говорит доцент Солка Дмитрий Люмкис, структурный биолог и один из соавторов исследования. «Это расширяет набор инструментов, необходимых для проведения такого важного биомедицинского исследования».
CRISPR, полученный из генов, первоначально обнаруженных в бактериях, был описан как «молекулярные ножницы» или «программа обработки текста для живых клеток». Он заменяет один сегмент генетического кода другим. В системе CRISPR-Cas9 Cas9 является ферментом, разрезающим ДНК. Однако наличие инструментов для редактирования РНК позволило бы ученым изменять активность гена, не создавая постоянного - и потенциально опасно - сменить на сам ген.
«ДНК постоянна, но то, что постоянно меняется, - это сообщения РНК, которые копируются из ДНК», - говорит научный сотрудник Солка Сильвана Конерманн, научный сотрудник Медицинского института Говарда Хьюза Ханна Грей и один из первых авторов исследования. «Возможность модулировать эти сообщения путем прямого управления РНК имеет важное значение для влияния на судьбу клетки».
Ранее в этом году Конерманн и научный сотрудник Helmsley-Salk Патрик Хсу опубликовали в Cell еще одну статью, в которой открыли семейство ферментов под названием CRISPR-Cas13d и сообщили, что эта альтернативная система CRISPR эффективна в распознавании и разрезании РНК. Команда также показала, что этот инструмент можно использовать для коррекции болезнетворного белкового дисбаланса в клетках человека с деменцией.
Новое исследование, результат сотрудничества лабораторий Люмкис и Хсу, основано на открытии семейства Cas13d и предоставляет молекулярные данные, объясняющие, как это работает.
«В нашей предыдущей статье мы обнаружили новое семейство CRISPR, которое можно использовать для создания РНК непосредственно внутри клеток человека», - говорит Хсу, другой автор новой работы. «Теперь, когда мы смогли визуализировать структуру Cas13d, мы можем более подробно увидеть, как фермент направляется к РНК и как он способен разрезать РНК. процесс становится более эффективным, прокладывая путь к новым стратегиям лечения заболеваний, связанных с РНК».
Команда использовала крио-ЭМ, чтобы раскрыть новые детали Cas13d, заморозив фермент в различных динамических состояниях, что позволило исследователям расшифровать ряд действий, а не просто наблюдать одно действие в определенный момент времени.
«Это позволило нам увидеть, как Cas13d направляет, связывает и нацеливает РНК», - говорит Ченг Чжан, научный сотрудник лаборатории Люмкиса и другой первый автор статьи. «Мы надеемся, что эти новые знания помогут расширить возможности инструментов редактирования генов».
Другими авторами статьи были Николас Дж. Бридо и Питер Лотфи из Солка; Сюэбин Ву из Института биомедицинских исследований Уайтхеда; и Скотт Дж. Новик, Тимоти Струценберг и Патрик Р. Гриффин из Исследовательского института Скриппса.