CRISPR отредактировал несколько генов одновременно

Ученые разработали новую CRISPR-систему, она позволяет одновременно в нескольких местах разрезать ДНК и удалять участки генов. Кроме широко известного Cas9, в нее входит Cas12a, которая обладает рибонуклеазной активностью и может разрезать одну РНК на несколько гидов. Систему назвали CHyMErA, и она оказалась эффективнее, чем обычный CRISPR/Cas9 для выключения генов, изучения свойств пар генов, которые влияют друг на друга, паралогов и альтернативных экзонов. Статья опубликована в журнале Nature Biotechnology.

CRISPR/Cas системы наиболее известны тем, что с помощью них ученые могут вносить изменения в геном организмов. Однако эта технология позволяет не только изменять ДНК, но и выяснять функции генов, которые не удается понять с помощью других технологий. Например, с помощью CRISPR можно исследовать генетические взаимодействия — отклонения фенотипа от ожидаемого, которые возникают в результате перекрывания работы нескольких генов.

Один из важных вопросов — какие функции несут и как влияют на фенотип паралогичные гены — одинаковые копии ДНК, которые возникли в результате внутригеномных дупликаций. Такие события возникали в ходе эволюции, и постепенно копии генов могли получить разные роли. Кроме того, ученые изучают функционирование альтернативных экзонов — участков, которые могут вырезаться из матричной РНК, в результате чего на матрице одного и того же гена могут строиться разные белки.

Для таких исследований необходимы инструменты, с помощью которых можно воздействовать сразу на разные комбинации генов. Есть системы, в которых Cas9 работают с двумя и более РНК-гидами, однако у них есть ряд ограничений: разные промоторы и участки РНК могут рекомбинировать, и необходимая последовательность нарушается. У другой нуклеазы, Cas12a, есть внутренняя рибонуклеазная активность, она может расщеплять гидовую РНК и делать из нее набор различных последовательностей. Однако эффективность Cas12a невысока.

Томас Гонатопулос-Пурнадзис (Thomas Gonatopoulos-Pournatzis) из Торонтского университета и его коллеги разработали систему, которую назвали CHyMErA (Cas Hybrid for Multiplexed Editing and Screening Applications, «Гибрид Cas для множественного редактирования и скрининга»). В ней Cas9 и Cas12a работают вместе и используют гибридную гидовую РНК.

Ученые создали библиотеку гибридных гидовых РНК, которые узнают различные важные гены человека и мыши (более 450 генов) и ряд экзонов. Затем использовали сверточную нейронную сеть, чтобы предсказывать свойства и эффективность гибридных гидовых РНК. Алгоритм обучили на данных, полученных в результате внедрения разных CHyMErA в клетки мышей и человека (5 тысяч последовательностей).

Технологию опробовали для выключения отдельных генов, а также на известных парах влияющих друг на друга генов, выключая одну или обе последовательности. Затем с помощью CHyMErA выключали каждую из 1344 известных пар паралогов и вырезали различные экзоны.

Предсказательная способность сверточной нейронной сети составила 77 процентов, она определяла активные гидовые РНК для Cas12a лучше, чем аналоги, которые использовали раньше. Выключение одного и того же гена дважды с помощью CHyMErA было значительно более эффективным, чем с помощью Cas9 и Cas12a по отдельности. С помощью системы подтвердили уже известные генетические взаимодействия негомологичных генов и паралогов, удалось даже обнаружить новые пары паралогов, которые влияют друг на друга. Также CHyMErA оказалась эффективной для вырезания альтернативных экзонов.

В этом году технологию CRISPR/Cas9 впервые применили на человеке для лечения слепоты. Подробнее о том, как работает CRISPR, можно прочитать в нашем материале «Запомните эти буквы».

Алиса Бахарева