Машинное обучение помогло CRISPR отредактировать геном по-настоящему
Американские исследователи разработали вычислительную модель, предсказывающую исход репарации той или иной последовательности ДНК после того как ее порезал белок Cas9. Как выяснилось, для примерно десятой части случаев можно с высокой вероятностью предсказать, какая последовательность там образуется после работы систем репарации ДНК. Это позволило ученым исправить ряд вредных мутаций в клетках человека при помощи CRISPR без дополнительного использования матрицы для редактирования. Работа опубликована в Nature.
Система редактирования генома CRISPR-Cas9 содержит два основных компонента – белок Cas9 и короткую затравку (направляющую РНК), которая указывает Cas9, какое место генома ему порезать. Этот базовый комплект, строго говоря, ничего не редактирует, он просто вносит в геном двуцепочечный разрыв в заданном месте. Чтобы вставить в это место нужную последовательность, необходим третий компонент – матричная ДНК, содержащая ту самую последовательность, которую нужно внести в геном. Используя эту матрицу, клеточная система репарации по механизму гомологичной рекомбинации залечивает разрыв в ДНК и встраивает туда нужный кусочек.
В отсутствие матрицы для репарации (и даже если она есть, так как гомологичная рекомбинация в клетках человека работает довольно плохо) разрез восстанавливается с участием других систем репарации ДНК, в частности, системы негомологичного соединения концов (NHEJ) и соединения концов на основе микрогомологии (MMEJ). После работы этих систем на месте разреза остаются небольшие делеции или инсерции, которые в большинстве случаев нарушают работу гена. Именно поэтому при помощи «базового комплекта» CRISPR-Cas9 легко сломать ген, но сложно починить.
Исследователи из Массачусетского технологического института решили превратить недостаток систем репарации в достоинство и создали модель на основе машинного обучения, которая с высокой вероятностью предсказывает исход репарации ДНК по механизмам NHEJ и MMEJ, то есть сообщает, какая именно последовательность в месте разреза образуется после репарации с учетом делеций и инсерций как минимум в 50 процентах случаев. Согласно модели, предсказать исход репарации с такой точностью можно для 5-11 процентов всех направляющих РНК для человеческого генома («precise-50»). Для построения модели inDelphi ученые использовали экспериментальные данные, которые получили после разрезания генома Cas9 почти двух тысяч сайтов в ДНК.
После создания модели ученые экспериментально подтвердили ее релевантность – для этого из списка «precise-50»-направляющих РНК выбрали 14, которые «натравливали» бы Cas9 на последовательность с мутацией (а именно, микроделецией в один нуклеотид), характерную для того или иного генетического заболевания. После репарации разрыва в этом месте, согласно inDelphi, должен появляться лишний нуклеотид. Оказалось, что действительно, после работы CRISPR и системы репарации последовательность гена восстанавливалась благодаря такой микроинсерции в среднем в 60 процентах случаев.
Это означает, что некоторые вредные мутации (делеции или инсерции), приводящие к развитию заболеваний можно исправлять при помощи CRISPR без использования матрицы для репарации и с достаточно высокой эффективностью. Всего исследователи смогли подобрать направляющие РНК из списка «precise-50» для 195 таких вредоносных аллелей и экспериментально подтвердили, что они с частотой более 50 процентов исправляются до нормальных после разреза и репарации. К примеру, им удалось отредактировать мутацию в гене HPS1 в фибробластах пациентов с синдромом Германского-Пудлака, приводящего к нарушению пигментации кожи и гемофилии, а также мутацию в гене ATP7A в клетках больных болезнью Менкеса.
Редактировать геном без использования матрицы можно также при помощи так называемых «редакторов оснований» на базе CRISPR-Cas, которые умеют исправлять уже
. Мы
, например, как при помощи подобного инструмента взрослых мышей вылечили от фенилкетонурии.
Дарья Спасская
Благодаря воздействию на факторы транскрипции
Экстракт Mallotus furetianus значительно подавляет увеличение массы тела и жировой ткани и снижает риск развития жировой болезни печени у мышей. Как сообщается в журнале Food Science and Nutrition, экстракт in vitro подавлял экспрессию факторов транскрипции, которые участвуют в ранней дифференцировке преадипоцитов, из-за чего было снижено производство и накопление триацилглицеринов. Ученые по всему миру ищут средства терапии и профилактики ожирения, которое выступает основным фактором риска развития различных хронических заболеваний, особенно связанных с образом жизни. Подробнее об этих поисках можно прочитать в материале N + 1 «Больше не ешь». Внимание исследователей привлекают и растительные препараты, которые показывали свой эффект для снижения массы тела и жировой ткани. В частности, это происходило за счет влияния на факторы транскрипции или сигнальные пути, которые происходят на ранних стадиях развития и дифференцировки жировой ткани — адипогенеза. В частности, сообщалось, что ресвератрол из красного вина снижает активность адипогенеза за счет подавления активности фактора некроза опухоли-α в преадипоцитах. Однако подробные механизмы подавления дифференцировки адипоцитов остаются неясными. Акико Кодзима-Юаса (Akiko Kojima-Yuasa) с коллегами из Столичного университета Осаки исследовали эффекты Mallotus furetianus — вида тропического растения семейства молочайных, произрастающего на острове Хайнань в Китае, который традиционно используют в народной медицине при заболеваниях желчного пузыря. Также сообщалось, что экстракт листьев этого растения оказывает антиатеросклеротический и антистеатозный эффект. Сначала они кормили несколько групп мышей высококалорийной или обычной диетой с добавлением 0,24-процентного экстракта Mallotus furetianus или без него. Масса тела мышей, получавших высококалорийную диету, была значительно выше по сравнению с мышами, которые получали обычную диету. Однако масса тела мышей, получавших высококалорийную диету с экстрактом, была значительно ниже, чем масса мышей, получавших только высококалорийную диету. Такие же закономерности ученые нашли для массы жировой ткани придатка яичка и забрюшинного жира. Размер адипоцитов у мышей, получавших высококалорийную диету, был значительно больше по сравнению с контрольными мышами. Однако у мышей, получавших дополнительно с высококалорийной диетой экстракт Mallotus furetianus, размер адипоцитов был значительно меньше. Кроме того, у мышей с ожирением в гепатоцитах накапливались липидные капли, что указывало на развитие стеатоза печени. Этого не наблюдалось у мышей, получавших растительный экстракт. Затем ученые обнаружили, что экстракт снижает активность биосинтеза и накопление триглицеридов. Поскольку известно, что на ранних стадиях дифференцировки адипоцитов экспрессируется фактор транскрипции C/EBPβ, ученые исследовали, как экстракт влияет на его экспрессию через 48 часов после инициации дифференцировки преадипоцитов. Оказалось, что уровень экспрессии гена C/EBPβ оставался неизменным даже при добавлении экстракта, однако снизилась концентрация самого фактора в клетке. В адипоцитах повышенная экспрессия C/EBPβ приводит к индукции других факторов транскрипции — PPARγ и C/EBPa, — которые являются главными регуляторами дифференцировки адипоцитов. Добавление экстракта Mallotus furetianus снижало как уровень экспрессии гена, так и уровень белков PPARγ и C/EBPa. То есть экстракт подавляет экспрессию C/EBPβ посредством посттрансляционных модификаций, что приводит к подавлению транскрипции PPARγ и C/EBPa. Дополнительные анализы показали, что экстракт подавляет фосфорилирование внеклеточных сигнально-регулируемых киназ и снижает уровень экспрессии гена SENP2, потенциально влияя на стабильность и активность белка C/EBPβ. Потенциально экстракт Mallotus furetianus может стать эффективным лекарством для лечения ожирения у людей, однако для этого необходимо проверить профиль его безопасности. Врачи находят у ожирения неожиданные негативные эффекты на здоровье. Например, недавно британские ученые выяснили, что у людей с ожирением значительно снижается продолжительность защитного эффекта вакцин от ковида.