Все говорят о CRISPR-Cas. Этот биотехнологический метод предлагает относительно быстрый и простой способ манипулирования отдельными генами в клетках, то есть их можно точно удалить, заменить или изменить. Кроме того, в последние годы исследователи также используют технологии, основанные на CRISPR-Cas, для систематического повышения или понижения активности отдельных генов. Соответствующие методы за очень короткое время стали мировым стандартом как в фундаментальных биологических исследованиях, так и в прикладных областях, таких как селекция растений.
На сегодняшний день, по большей части, исследователи могли модифицировать только один ген за раз, используя этот метод. Иногда им удавалось два или три раза за один раз; в одном конкретном случае им удалось одновременно редактировать семь генов. Теперь профессор Рэндалл Платт и его команда из Департамента науки и инженерии биосистем в ETH Zurich в Базеле разработали процесс, который, как они продемонстрировали в экспериментах, может одновременно модифицировать 25 целевых участков в генах клетки. Как будто этого недостаточно, это число может быть увеличено еще больше, до десятков или даже сотен генов, как указывает Платт. Во всяком случае, этот метод предлагает огромный потенциал для биомедицинских исследований и биотехнологии. «Благодаря этому новому инструменту мы и другие ученые теперь можем достичь того, о чем раньше могли только мечтать».
Целенаправленное крупномасштабное перепрограммирование клеток
Гены и белки в клетках взаимодействуют по-разному. Образовавшиеся сети, состоящие из десятков генов, обеспечивают клеточное разнообразие организма. Например, они отвечают за дифференциацию клеток-предшественников в нейрональные клетки и иммунные клетки.«Наш метод впервые позволяет нам систематически модифицировать целые генные сети за один шаг», - говорит Платт.
Более того, это прокладывает путь для сложного крупномасштабного сотового программирования. Его можно использовать для повышения активности одних генов и снижения активности других. Время этого изменения активности также можно точно контролировать.
Это представляет интерес для фундаментальных исследований, например, для изучения того, почему разные типы клеток ведут себя по-разному, или для изучения сложных генетических нарушений. Это также окажется полезным для клеточной заместительной терапии, которая включает замену поврежденных клеток здоровыми. В этом случае исследователи могут использовать этот метод для преобразования стволовых клеток в дифференцированные клетки, такие как нейрональные клетки или бета-клетки, продуцирующие инсулин, или наоборот, для получения стволовых клеток из дифференцированных клеток кожи.
Двойная функция фермента Cas
Для метода CRISPR-Cas требуется фермент, известный как Cas, и небольшая молекула РНК. Его последовательность азотистых оснований служит «адресной меткой», направляющей фермент с предельной точностью к месту его действия на хромосомах. Ученые ETH создали плазмиду, или кольцевую молекулу ДНК, в которой хранится схема фермента Cas и многочисленные адресные молекулы РНК, расположенные в последовательности: другими словами, более длинный список адресов. В своих экспериментах исследователи вставили эту плазмиду в клетки человека, тем самым продемонстрировав, что несколько генов могут модифицироваться и регулироваться одновременно.
Для новой методики ученые использовали не фермент Cas9, который использовался в большинстве методов CRISPR-Cas на сегодняшний день, а родственный фермент Cas12a. Он может не только редактировать гены, но и одновременно разрезать длинный «список адресов РНК» на отдельные «адресные метки». Кроме того, Cas12a может обрабатывать более короткие адресные молекулы РНК, чем Cas9. «Чем короче эти адресные последовательности, тем больше их мы можем уместить на плазмиде», - говорит Платт.